JP2010124040A - Power amplifying device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えばアクチュエータを駆動するための駆動信号の基準となる駆動波形信号をパルス変調し、その変調信号を電力増幅して駆動信号として出力する電力増幅装置に関するものである。 The present invention relates to a power amplifying apparatus that pulse-modulates a drive waveform signal that becomes a reference of a drive signal for driving an actuator, for example, and amplifies the modulated signal to output it as a drive signal.
プッシュプル接続されたトランジスタ対をリニア駆動するアナログ電力増幅器に比べて、プッシュプル接続されたスイッチング素子をスイッチ動作、つまりデジタル駆動させて電力増幅するデジタル電力増幅器、所謂D級アンプは、効率に優れ、広い範囲で使用されている。デジタル電力増幅器で駆動信号を電力増幅する場合、駆動信号の基となる駆動波形信号をパルス変調し、その変調信号をデジタル電力増幅器で電力増幅した後、平滑フィルタで変調信号の周波数成分を除去する。例えば、下記特許文献1では、このデジタル電力増幅器を液体噴射型印刷装置に用いて、ノズルアクチュエータへの駆動信号をデジタル電力増幅器で電力増幅することにより、損失を低減し、ヒートシンクを無用としている。
ところで、前記特許文献1のように、デジタル電力増幅器を用いて駆動信号を電力増幅する場合、電力増幅する前の変調信号の周波数成分を平滑フィルタで除去する必要があり、変調信号周波数成分を十分に除去するためには駆動波形信号成分を安定して通過し且つ変調信号周波数成分を十分に除去するような急峻な周波数特性の平滑フィルタ、換言すれば高次な平滑フィルタが必要となり、その場合には、平滑フィルタに用いられるコイルの端子間電位差が大きくなり、ヒステリシスによる損失が大きくなってしまう。
本発明は、これらの諸問題に着目して開発されたものであり、デジタル電力増幅器を用いて電力増幅する場合に、平滑フィルタの次数を低くすることができると共に、スイッチングロスも低減可能な電力増幅装置を提供することを目的とするものである。
By the way, when the drive signal is power amplified using a digital power amplifier as in Patent Document 1, it is necessary to remove the frequency component of the modulation signal before power amplification with a smoothing filter, and the modulation signal frequency component is sufficiently In order to eliminate the noise, a smooth filter with a steep frequency characteristic that stably passes the drive waveform signal component and sufficiently removes the modulation signal frequency component, in other words, a higher-order smoothing filter is required. In this case, the potential difference between terminals of the coil used for the smoothing filter increases, and the loss due to hysteresis increases.
The present invention has been developed by paying attention to these problems. When power amplification is performed using a digital power amplifier, the order of the smoothing filter can be reduced and the switching loss can be reduced. The object is to provide an amplifying device.
上記諸問題を解決するため、本発明の電力増幅装置は、駆動信号の基となる駆動波形信号をパルス変調する変調回路と、前記変調回路でパルス変調された変調信号を電力増幅するデジタル電力増幅回路と、前記デジタル電力増幅回路で電力増幅された電力増幅変調信号を平滑化し、駆動信号として出力する平滑フィルタとを備え、前記デジタル電力増幅回路は、プッシュプル接続されたスイッチング素子対からなる複数段のデジタル電力増幅器と、少なくとも1つのデジタル電力増幅器への電源電位が、前記駆動信号中の電圧保持電位である電源回路とを備えたことを特徴とするものである。
この電力増幅装置では、パルス変調された変調信号を複数段のデジタル電力増幅器で電力増幅し、それらの出力を組合せて電力増幅変調信号とするため、その電力増幅変調信号はパルス状又はステップ状になる。また、そのパルス状又はステップ状の電力増幅変調信号が到達する電位の数、ステップ数は多値となる。
In order to solve the above problems, a power amplification device according to the present invention includes a modulation circuit that modulates a drive waveform signal that is a basis of a drive signal, and a digital power amplification that power-amplifies the modulation signal pulse-modulated by the modulation circuit. And a smoothing filter for smoothing the power amplification modulation signal amplified by the digital power amplification circuit and outputting it as a drive signal, the digital power amplification circuit comprising a plurality of push-pull connected switching element pairs. And a power supply circuit in which a power supply potential to at least one digital power amplifier is a voltage holding potential in the drive signal.
In this power amplifying device, the modulated signal that has been pulse-modulated is power-amplified by a plurality of stages of digital power amplifiers, and their outputs are combined into a power-amplified modulated signal. Become. In addition, the number of steps and the number of steps reached by the pulsed or stepped power amplification modulation signal are multivalued.
而して、この電力増幅装置によれば、複数段のデジタル電力増幅器の出力を組合せて電力増幅変調信号とするため、当該電力増幅変調信号が到達する電位のステップ間の電位差が小さくなり、その電力増幅変調信号から変調信号の周波数成分を除去するための平滑フィルタの次数を低くすることができると共に、電力増幅変調信号を多値信号とすることにより高精度な駆動信号を得ることが可能となる。また、平滑フィルタの次数を低くすることによって回路の構成を簡素化、小型化することができる。また、電力増幅変調信号の到達電位のステップ間の電位差が小さいので、デジタル電力増幅器のスイッチング素子の耐圧を低くすることができ、これにより回路の小型化が可能となる。そして、デジタル電力増幅器への電源電位を駆動信号中の電圧保持電位とすることにより、その電位を出力しているときにデジタル電力増幅器をスイッチングする必要がなくなり、スイッチングロスを低減することが可能となる。 Thus, according to this power amplifying device, since the output of a plurality of stages of digital power amplifiers is combined into a power amplification modulation signal, the potential difference between steps of the potential reached by the power amplification modulation signal is reduced. It is possible to reduce the order of the smoothing filter for removing the frequency component of the modulation signal from the power amplification modulation signal, and to obtain a highly accurate drive signal by making the power amplification modulation signal a multilevel signal. Become. Further, by reducing the order of the smoothing filter, the circuit configuration can be simplified and miniaturized. In addition, since the potential difference between the steps of the arrival potential of the power amplification modulation signal is small, the withstand voltage of the switching element of the digital power amplifier can be lowered, and the circuit can be downsized. Then, by setting the power supply potential to the digital power amplifier as the voltage holding potential in the drive signal, it is not necessary to switch the digital power amplifier when outputting the potential, and switching loss can be reduced. Become.
また、本発明の電力増幅装置は、前記電源回路は、電源電位が可変な可変電源回路であり、電源回路の電源電位を制御する制御回路を備えたことを特徴とするものである。
この電力増幅装置によれば、環境に応じて電源回路の電源電位を制御する構成としたため、高精度の駆動信号を出力することができる。
また、本発明の電力増幅装置は、前記複数段のデジタル電力増幅器は、同一の電源回路に接続されることを特徴とするものである。
In the power amplifying device of the present invention, the power supply circuit is a variable power supply circuit having a variable power supply potential, and includes a control circuit for controlling the power supply potential of the power supply circuit.
According to this power amplifying apparatus, since the power supply potential of the power supply circuit is controlled according to the environment, a highly accurate drive signal can be output.
In the power amplifying apparatus of the present invention, the plurality of stages of digital power amplifiers are connected to the same power supply circuit.
この電力増幅装置によれば、複数段のデジタル電力増幅器の電源回路を共通化することで回路の小型化が可能となる。
また、本発明の電力増幅装置は、前記複数段のデジタル電力増幅器は、夫々異なる電位の電源回路に接続されることを特徴とするものである。
この電力増幅装置によれば、複数段のデジタル電力増幅器の電源電位を異なるものとすることで駆動信号の波形自由度が高まる。
According to this power amplifying apparatus, it is possible to reduce the size of the circuit by sharing the power supply circuit of a plurality of stages of digital power amplifiers.
The power amplifying device of the present invention is characterized in that the plurality of stages of digital power amplifiers are connected to power supply circuits having different potentials.
According to this power amplifying device, the drive signal waveform flexibility is increased by making the power supply potentials of the digital power amplifiers of a plurality of stages different.
次に、本発明の電力増幅装置の一実施形態として、液体噴射型印刷装置に用いられたものについて説明する。
図1は、本実施形態の印刷装置の概略構成図であり、図において、印刷媒体1は、図の左から右に向けて矢印方向に搬送され、その搬送途中の印刷領域で印刷される、ラインヘッド型印刷装置である。
液体噴射型印刷装置のうち、液体噴射ノズルの形成された液体噴射ヘッドをキャリッジと呼ばれる移動体に載せて印刷媒体の搬送方向と交差する方向に移動させるものを一般に「マルチパス型印刷装置」と呼んでいる。これに対し、印刷媒体の搬送方向と交差する方向に長尺な液体噴射ヘッドを配置して、所謂1パスでの印刷が可能なものを一般に「ラインヘッド型印刷装置」と呼んでいる。
Next, an embodiment used in a liquid jet printing apparatus will be described as an embodiment of the power amplification apparatus of the present invention.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a printing apparatus according to the present embodiment. In the drawing, a print medium 1 is conveyed in the direction of an arrow from the left to the right in the figure, and is printed in a printing area in the middle of the conveyance. It is a line head type printing apparatus.
Among liquid ejecting printing apparatuses, a liquid ejecting head on which a liquid ejecting nozzle is formed is placed on a moving body called a carriage and moved in a direction crossing the transport direction of the print medium, and generally called a “multi-pass printing apparatus”. I'm calling. On the other hand, what is capable of printing in a so-called one pass by arranging a long liquid jet head in a direction crossing the conveyance direction of the printing medium is generally called a “line head type printing apparatus”.
図1中の符号2は、印刷媒体1の搬送ライン上方に設けられた複数の液体噴射ヘッドであり、印刷媒体搬送方向に2列になるように且つ印刷媒体搬送方向と交差する方向に並べて配設されて、夫々、ヘッド固定プレート11に固定されている。各液体噴射ヘッド2の最下面には、多数のノズルが形成されており、この面がノズル面と呼ばれている。ノズルは、図2に示すように、噴射する液体の色毎に、印刷媒体搬送方向と交差する方向に列状に配設されており、その列をノズル列と呼んだり、その列方向をノズル列方向と呼んだりする。そして、印刷媒体搬送方向と交差する方向に配設された全ての液体噴射ヘッド2のノズル列によって、印刷媒体1の搬送方向と交差する方向の幅全長に及ぶラインヘッドが形成されている。印刷媒体1は、これらの液体噴射ヘッド2のノズル面の下方を通過するときに、ノズル面に形成されている多数のノズルから液体が噴射され、印刷が行われる。
液体噴射ヘッド2には、例えばイエロー(Y)、マゼンタ(M)、シアン(C)、ブラック(K)の4色のインクなどの液体が、図示しない各色の液体タンクから液体供給チューブを介して供給される。そして、各液体噴射ヘッド2に形成されているノズルから同時に必要箇所に必要量の液体を噴射することにより、印刷媒体1上に微小なドットを出力する。これを各色毎に行うことにより、搬送部4で搬送される印刷媒体1を一度通過させるだけで、所謂1パスによる印刷を行うことができる。
液体噴射ヘッドの各ノズルから液体を噴射する方法としては、静電方式、ピエゾ方式、膜沸騰液体噴射方式などがあり、本実施形態ではピエゾ方式を用いた。ピエゾ方式は、ノズルアクチュエータである圧電素子に駆動信号を与えると、キャビティ内の振動板が変位してキャビティ内に圧力変化を生じ、その圧力変化によって液滴がノズルから噴射されるというものである。そして、駆動信号の波高値や電圧増減傾きを調整することで液滴の噴射量を調整することが可能となる。なお、本発明は、ピエゾ方式以外の液体噴射方法にも、同様に適用可能である。
For example, liquids such as yellow (Y), magenta (M), cyan (C), and black (K) inks are supplied to the liquid ejecting
As a method of ejecting liquid from each nozzle of the liquid ejecting head, there are an electrostatic method, a piezo method, a film boiling liquid ejecting method, and the like. In this embodiment, the piezo method is used. In the piezo method, when a drive signal is given to a piezoelectric element that is a nozzle actuator, the diaphragm in the cavity is displaced to cause a pressure change in the cavity, and a droplet is ejected from the nozzle by the pressure change. . The droplet ejection amount can be adjusted by adjusting the peak value of the drive signal and the voltage increase / decrease slope. Note that the present invention can be similarly applied to liquid ejection methods other than the piezo method.
液体噴射ヘッド2の下方には、印刷媒体1を搬送方向に搬送するための搬送部4が設けられている。搬送部4は、駆動ローラ8及び従動ローラ9に搬送ベルト6を巻回して構成され、駆動ローラ8には図示しない電動モータが接続されている。また、搬送ベルト6の内側には、当該搬送ベルト6の表面に印刷媒体1を吸着するための図示しない吸着装置が設けられている。この吸着装置には、例えば負圧によって印刷媒体1を搬送ベルト6に吸着する空気吸引装置や、静電気力で印刷媒体1を搬送ベルト6に吸着する静電吸着装置などが用いられる。従って、給紙ローラ5によって給紙部3から印刷媒体1を一枚だけ搬送ベルト6上に送給し、電動モータによって駆動ローラ8を回転駆動すると、搬送ベルト6が印刷媒体搬送方向に回転され、吸着装置によって搬送ベルト6に印刷媒体1が吸着されて搬送される。この印刷媒体1の搬送中に、液体噴射ヘッド2から液体を噴射して印刷を行う。印刷の終了した印刷媒体1は、搬送方向下流側の排紙部10に排紙される。なお、前記搬送ベルト6には、例えばリニアエンコーダなどで構成される印刷基準信号出力装置が取付けられている。この印刷基準信号出力装置は、例えば搬送ベルト6とそれに吸着されて搬送される印刷媒体1とが同期して移動されることに着目し、印刷媒体1が搬送経路中の所定位置を通過した後は、搬送ベルト6の移動に伴って要求される印刷解像度相当のパルス信号を出力し、このパルス信号に応じて、後述する駆動回路から駆動信号をノズルアクチュエータに出力することで印刷媒体1上の所定位置に所定の色の液体を噴射し、そのドットによって印刷媒体1上に所定の画像を描画する。
Below the
この印刷装置内には、自身を制御するための制御装置が設けられている。この制御装置は、例えば図3に示すように、例えばパーソナルコンピュータ、デジタルカメラ等のホストコンピュータ60から入力された印刷データに基づいて、印刷装置や給紙装置等を制御することにより印刷媒体に印刷処理を行うものである。そして、ホストコンピュータ60から入力された印刷データ読込むための入力インタフェース61と、この入力インタフェース61から入力された印刷データに基づいて印刷処理等の演算処理を実行する例えばマイクロコンピュータで構成される制御部62と、前記給紙ローラ5に接続されている給紙ローラモータ17を駆動制御する給紙ローラモータドライバ63と、各液体噴射ヘッド2を駆動制御するヘッドドライバ65と、前記駆動ローラ8に接続されている電動モータ7を駆動制御する電動モータドライバ66と、各ドライバ63、65、66と外部の給紙ローラモータ17、液体噴射ヘッド2、電動モータ7とを接続するインタフェース67とを備えて構成される。
A control device for controlling itself is provided in the printing apparatus. For example, as shown in FIG. 3, the control device prints on a print medium by controlling a printing device, a paper feeding device, and the like based on print data input from a
制御部62は、印刷処理等の各種処理を実行するCPU(Central Processing Unit)62aと、入力インタフェース61を介して入力された印刷データ或いは当該印刷データ印刷処理等を実行する際の各種データを一時的に格納し、或いは印刷処理等のプログラムを一時的に展開するRAM(Random Access Memory)62cと、CPU62aで実行する制御プログラム等を格納する不揮発性半導体メモリで構成されるROM(Read-Only Memory)62dを備えている。この制御部62は、インタフェース61を介してホストコンピュータ60から印刷データ(画像データ)を入手すると、CPU62aが、この印刷データに所定の処理を実行して、何れの液体噴射ヘッド2の何れのノズルから液体を噴射するか或いはどの程度の液体を噴射するかというノズル選択データ(駆動信号選択データ)を算出し、この印刷データや駆動信号選択データ及び各種センサからの入力データに基づいて、各ドライバ63、65、66に制御信号を出力する。各ドライバ63、65、66からはアクチュエータを駆動するための駆動信号が出力され、給紙ローラモータ17、電動モータ7、液体噴射ヘッド2内のノズルアクチュエータなどが夫々作動して、印刷媒体1の給紙及び搬送及び排紙、並びに印刷媒体1への印刷処理が実行される。なお、制御部62内の各構成要素は、図示しないバスを介して電気的に接続されている。
The
図4には、本実施形態の印刷装置の制御装置から液体噴射ヘッド2に供給され、圧電素子からなるノズルアクチュエータを駆動するための駆動信号COMの一例を示す。本実施形態では、中間電位を中心に電位が変化する信号とした。この駆動信号COMは、ノズルアクチュエータを駆動して液体を噴射する単位駆動信号としての駆動パルスPCOMを時系列的に接続したものであり、各駆動パルスPCOMの立上がり部分がノズルに連通するキャビティ(圧力室)の容積を拡大して液体を引込む(液体の噴射面を考えればメニスカスを引き込むとも言える)段階であり、駆動パルスPCOMの立下がり部分がキャビティの容積を縮小して液体を押出す(液体の噴射面を考えればメニスカスを押出すとも言える)段階であり、液体を押出した結果、液滴がノズルから噴射される。
FIG. 4 shows an example of a drive signal COM that is supplied from the control device of the printing apparatus of the present embodiment to the
この電圧台形波からなる駆動パルスPCOMの電圧増減傾きや波高値を種々に変更することにより、液体の引込量や引込速度、液体の押出量や押出速度を変化させることができ、これにより液滴の噴射量を変化させて異なる大きさのドットを得ることができる。従って、複数の駆動パルスPCOMを時系列的に連結する場合でも、そのうちから単独の駆動パルスPCOMを選択してアクチュエータに供給し、液滴を噴射したり、複数の駆動パルスPCOMを選択してアクチュエータに供給し、液滴を複数回噴射したりすることで種々の大きさのドットを得ることができる。即ち、液体が乾かないうちに複数の液滴を同じ位置に着弾すると、実質的に大きな液滴を噴射するのと同じことになり、ドットの大きさを大きくすることができるのである。このような技術の組合せによって多階調化を図ることが可能となる。なお、図4の左端の駆動パルスPCOM1は、液体を引込むだけで押出していない。これは、微振動と呼ばれ、液滴を噴射せずに、例えばノズルの増粘を抑制防止したりするのに用いられる。 By variously changing the voltage increase / decrease slope and peak value of the driving pulse PCOM composed of this voltage trapezoidal wave, the liquid drawing amount and drawing speed, the liquid pushing amount and the pushing speed can be changed. It is possible to obtain dots of different sizes by changing the amount of injection. Therefore, even when a plurality of drive pulses PCOM are connected in time series, a single drive pulse PCOM is selected and supplied to the actuator, and droplets are ejected or a plurality of drive pulses PCOM are selected and the actuator is selected. In this way, dots of various sizes can be obtained by ejecting droplets a plurality of times. That is, if a plurality of droplets land on the same position before the liquid dries, it is substantially the same as ejecting a large droplet, and the size of the dot can be increased. By combining such techniques, it is possible to increase the number of gradations. Note that the driving pulse PCOM1 at the left end in FIG. This is called microvibration, and is used, for example, to suppress or prevent thickening of the nozzle without ejecting droplets.
各液体噴射ヘッド2には、前記駆動信号COMの他、前記図3の制御装置から制御信号として、印刷データに基づいて噴射するノズルを選択すると共に圧電素子などのノズルアクチュエータの駆動信号COMへの接続タイミングを決定する駆動信号選択データSI&SP、全ノズルにノズル選択データが入力された後、駆動信号選択データSI&SPに基づいて駆動信号COMと液体噴射ヘッド2のノズルアクチュエータとを接続させるラッチ信号LAT及びチャンネル信号CH、駆動信号選択データSI&SPをシリアル信号として液体噴射ヘッド2に送信するためのクロック信号CLKが入力されている。なお、これ以後、ノズルアクチュエータを駆動する駆動信号の最小単位を駆動パルスPCOMとし、駆動パルスPCOMが時系列的に連結された信号全体を駆動信号COMと記す。即ち、ラッチ信号LATで一連の駆動信号COMが出力され始め、チャンネル信号CH毎に駆動パルスPCOMが出力されることになる。
In addition to the drive signal COM, each
図5には、駆動信号COM(駆動パルスPCOM)をノズルアクチュエータ22に供給するために各液体噴射ヘッド2内に構築されたスイッチングコントローラの具体的な構成を示す。このスイッチングコントローラは、液体を噴射させるべきノズルに対応した圧電素子などのノズルアクチュエータ22を指定するための駆動信号選択データSI&SPを保存するシフトレジスタ211と、シフトレジスタ211のデータを一時的に保存するラッチ回路212と、ラッチ回路212の出力をレベル変換して選択スイッチ201に供給することにより、駆動信号COMをピエゾ素子などのノズルアクチュエータ22に接続するレベルシフタ213を備えて構成されている。
FIG. 5 shows a specific configuration of the switching controller constructed in each
シフトレジスタ211には、駆動信号選択データ信号SI&SPが順次入力されると共に、クロック信号CLKの入力パルスに応じて記憶領域が初段から順次後段にシフトする。ラッチ回路212は、ノズル数分の駆動信号選択データSI&SPがシフトレジスタ211に格納された後、入力されるラッチ信号LATによってシフトレジスタ211の各出力信号をラッチする。ラッチ回路212に保存された信号は、レベルシフタ213によって次段の選択スイッチ201をオンオフできる電圧レベルに変換される。これは、駆動信号COMが、ラッチ回路212の出力電圧に比べて高い電圧であり、これに合わせて選択スイッチ201の動作電圧範囲も高く設定されているためである。従って、レベルシフタ213によって選択スイッチ201が閉じられる圧電素子などのノズルアクチュエータは駆動信号選択データSI&SPの接続タイミングで駆動信号COM(駆動パルスPCOM)に接続される。また、シフトレジスタ211の駆動信号選択データSI&SPがラッチ回路212に保存された後、次の印刷情報をシフトレジスタ211に入力し、液体の噴射タイミングに合わせてラッチ回路212の保存データを順次更新する。なお、図中の符号HGNDは、圧電素子などのノズルアクチュエータのグランド端である。また、この選択スイッチ201によれば、圧電素子などのノズルアクチュエータを駆動信号COM(駆動パルスPCOM)から切り離した後も、当該ノズルアクチュエータ22の入力電圧は、切り離す直前の電圧に維持される。
The drive signal selection data signal SI & SP is sequentially input to the
図6には、ノズルアクチュエータの駆動回路の具体的な構成を示す。本実施形態の駆動回路は、駆動信号COMの基、つまりノズルアクチュエータ22の駆動を制御する信号の基準となる駆動波形信号WCOMの駆動波形データDWCOMを予め記憶した波形メモリ23と、この波形メモリ23に記憶されている駆動波形データDWCOMを読出したり、後述する可変電源回路33の電源電位を制御したりする制御回路24と、前記制御回路24で読出された駆動波形データDWCOMに基づいて駆動波形信号WCOMを生成する駆動波形信号発生回路25と、駆動波形信号発生回路25で生成された駆動波形信号WCOMをパルス変調する変調回路26と、変調回路26でパルス変調された変調信号を電力増幅するデジタル電力増幅回路28と、デジタル電力増幅回路28で電力増幅された電力増幅変調信号を平滑化して、駆動信号COM(駆動パルスPCOM)として液体噴射ヘッド2に供給する平滑フィルタ29を備えて構成される。
FIG. 6 shows a specific configuration of the drive circuit of the nozzle actuator. The drive circuit according to the present embodiment includes a
液体噴射ヘッド2内には、図7に示すように、前述した多数のノズルの夫々にノズルアクチュエータ22が設けられており、そのノズルアクチュエータ22の夫々に選択スイッチ201が接続され、全ての選択スイッチ201に共通する駆動信号COMが供給される。従って、液体を噴射すべきノズルの選択スイッチ201を駆動信号選択データSI&SPに基づいて選択し、その選択スイッチ201を前記スイッチングコントローラでオンオフ制御して必要なノズルから必要な量の液体を噴射する。
In the
駆動波形信号発生回路25は、制御回路24から出力された駆動波形データDWCOMを電圧信号に変換して所定サンプリング周期分ホールドすると共に、それをD/A変換器でアナログ変換して駆動波形信号WCOMとして出力する。本実施形態では、この駆動波形信号WCOMをパルス変調する変調回路26に、パルス幅変調(PWM)回路を用いた。パルス幅変調は、図8に示すように、三角波信号発生回路203で所定周波数の三角波信号を発生し、この三角波信号と駆動波形信号WCOMとを比較器204で比較して、例えば三角波信号より駆動波形信号WCOMが大きいときにオンデューティとなるパルス信号を変調信号として出力する。但し、本実施形態の三角波信号は、前記駆動波形信号WCOMの波高値の半分程度の電位しかなく、この三角波信号と駆動波形信号WCOMとの比較パルスを第1変調信号PWM1として出力すると共に、前記三角波信号に当該三角波信号の波高値に相当する電位をバイアスした信号と駆動波形信号WCOMとの比較パルスを第2変調信号PWM2として出力する。本実施形態では、デジタル電力増幅回路28内に2段のデジタル電力増幅器を備えているので、変調回路26は、デジタル電力増幅器の数分の変調信号を出力していることになる。
The drive waveform
デジタル電力増幅回路28は、前述したように、第1変調信号PWM1を電力増幅する第1デジタル電力増幅器27aと、第2変調信号PWM2を電力増幅する第2デジタル電力増幅器27bを備えている。第1デジタル電力増幅器27aのハイサイドは可変電源回路33の電源電位VHVに接続され、ローサイドは接地されている。第2デジタル電力増幅器27bと第1デジタル電力増幅器27aの間にはブートストラップ回路32が介装され、当該第2デジタル電力増幅器27bのハイサイドはブートストラップ回路32の整流子Dを介して可変電源回路33の電源電位VHVに接続され、ローサイドは第1デジタル電力増幅器27aの出力端に接続されている。即ち、後段に相当する第2デジタル電力増幅器27bのローサイドは、前段に相当する第1デジタル電力増幅器27aの出力でバイアスされる。ブートストラップ回路32は、第2デジタル電力増幅器27bのハイサイドからの電流を規制する整流子Dと、電源VHVと第1デジタル電力増幅器27aの出力間の電位差で充電されるコンデンサCBを備えている。なお、このコンデンサCBの容量は、前述したように圧電素子からなる容量性負荷であるノズルアクチュエータ22を駆動するのに十分な容量とする。具体的には、前段の第1デジタル電力増幅器27aがオンの状態で、後段の第2デジタル電力増幅器27bをオンオフする場合に、ブートストラップ電位を確保する容量とする。
As described above, the digital
第1及び第2デジタル電力増幅器27a、27bは、図9に示すように、実質的に電力を増幅するためのハイサイドのスイッチング素子Q1及びローサイドのスイッチング素子Q2からなるハーフブリッジD級出力段31と、変調回路26からの変調信号に基づいて、それらのスイッチング素子Q1、Q2のゲート−ソース間信号GH、GLを調整するためのゲートドライバ回路30とを備えて構成されている。2つのスイッチング素子Q1、Q2のゲート−ソース間信号GH、GLは反転信号になっている。デジタル電力増幅器27a、27bでは、変調信号がHiレベルであるとき、ハイサイド側スイッチング素子Q1のゲート−ソース間信号GHはHiレベルとなり、ローサイド側スイッチング素子Q2のゲート−ソース間信号GLはLoレベルとなるので、ハイサイド側スイッチング素子Q1はON状態となり、ローサイド側スイッチング素子Q2はOFF状態となり、その結果、ハーフブリッジD級出力段31の出力は、ハイサイド電位となる。一方、変調信号がLoレベルであるとき、ハイサイド側スイッチング素子Q1のゲート−ソース間信号GHはLoレベルとなり、ローサイド側スイッチング素子Q2のゲート−ソース間信号GLはHiレベルとなるので、ハイサイド側スイッチング素子Q1はOFF状態となり、ローサイド側スイッチング素子Q2はON状態となり、その結果、ハーフブリッジ出力段31の出力はローサイド電位となる。
As shown in FIG. 9, the first and second
このようにハイサイド及びローサイドのスイッチング素子がデジタル駆動される場合には、ON状態のスイッチング素子に電流が流れるが、ドレイン−ソース間の抵抗値は非常に小さく、損失は殆ど発生しない。また、OFF状態のスイッチング素子には電流が流れないので損失は発生しない。従って、これらのデジタル電力増幅器27a、27bの損失は極めて小さく、小型のMOSFET等のスイッチング素子を使用することができ、冷却用放熱板などの冷却手段も不要である。ちなみに、トランジスタをリニア駆動するときの効率が30%程度であるのに対し、デジタル電力増幅器の効率は90%以上である。また、トランジスタの冷却用放熱板は、トランジスタ一つに対して60mm角程度の大きさが必要になるので、こうした冷却用放熱板が不要になると、実際のレイアウト面で圧倒的に有利である。
In this way, when the high-side and low-side switching elements are digitally driven, a current flows through the ON-state switching elements, but the resistance value between the drain and source is very small and almost no loss occurs. In addition, since no current flows through the switching element in the OFF state, no loss occurs. Therefore, the loss of these
また、平滑フィルタ29は、図10に示すように、コイルLとコンデンサCの組合せからなるローパスフィルタ(低域通過フィルタ)で構成され、このローパスフィルタによって電力増幅変調信号APWMの変調周波数成分、この場合は三角波信号の周波数成分が除去される。
本実施形態では、ハイサイドが可変電源回路33の電源電位VHVに接続された前段の第1デジタル電力増幅器27aの後段に第2デジタル電力増幅器27bが配設され、且つ第2デジタル電力増幅器27bのローサイドはブートストラップ回路32によって電源電位VHVまでブートストラップされているので、第2デジタル電力増幅器27bがオフであるときには、第1デジタル電力増幅器27aの出力がそのまま第2デジタル電力増幅器27bから電力増幅変調信号APWMとして出力されるが、第2デジタル電力増幅器27bがオンであるときには第1デジタル電力増幅器27aの出力と第2デジタル電力増幅器27bの出力との加算値が当該第2デジタル電力増幅器27bから電力増幅変調信号APWMとして出力される。
As shown in FIG. 10, the smoothing
In the present embodiment, a second
図11には、本実施形態の第1及び第2変調信号PWM1、PWM2、電力増幅変調信号APWM、駆動信号COMの経時変化の一例を示す。本実施形態では、三角波信号の波高値電位を駆動波形信号WCOMの波高値の半分程度とし、この三角波信号と駆動波形信号WCOMとの比較パルスを第1変調信号PWM1として出力すると共に、前記三角波信号に当該三角波信号の波高値に相当する電位をバイアスした信号と駆動波形信号WCOMとの比較パルスを第2変調信号PWM2として出力するので、図に示す駆動信号COMと駆動波形信号WCOMが同等であるとすると、三角波信号は電位0から電源電位VHVで変化し、この三角波信号に当該三角波信号の波高値に相当する電位をバイアスした信号は電源電位VHVとその2倍値VHV×2で変化する。従って、駆動波形信号WCOM(図では駆動信号COM)が電源電位VHV以上となる領域では、第1変調信号PWM1はHiレベルを維持する。 FIG. 11 shows an example of temporal changes of the first and second modulation signals PWM1, PWM2, the power amplification modulation signal APWM, and the drive signal COM of the present embodiment. In the present embodiment, the peak value potential of the triangular wave signal is set to about half the peak value of the drive waveform signal WCOM, a comparison pulse between the triangular wave signal and the drive waveform signal WCOM is output as the first modulation signal PWM1, and the triangular wave signal In addition, since the comparison pulse between the signal biased with the potential corresponding to the peak value of the triangular wave signal and the drive waveform signal WCOM is output as the second modulation signal PWM2, the drive signal COM and the drive waveform signal WCOM shown in FIG. Then, the triangular wave signal changes from the potential 0 to the power supply potential VHV, and a signal obtained by biasing the triangular wave signal with a potential corresponding to the peak value of the triangular wave signal changes between the power supply potential VHV and its double value VHV × 2. Accordingly, in the region where the drive waveform signal WCOM (drive signal COM in the figure) is equal to or higher than the power supply potential VHV, the first modulation signal PWM1 maintains the Hi level.
電力増幅変調信号APWMは、第1変調信号PWM1と第2変調信号PWM2とを加算した値となり、第1デジタル電力増幅器27aの電力増幅した第1変調信号PWM1の電力増幅変調信号APWMは電源電位VHVと電位0間のパルスとなり、これに加算される第2デジタル電力増幅器27bの電力増幅した第2変調信号PWM2の電力増幅変調信号APWMは電源電位VHVとその2倍値VHV×2間のパルスとなる。従って、2つの電力増幅変調信号の加算値からなる電力増幅変調信号APWMは電位0、電源電位VHV、電源電位の2倍値VHV×2を到達電位とするから、到達電位のステップ数は“3”となり、デジタル電力増幅器27a、27bの段数“2”よりも多い。平滑フィルタ29で平滑化する前の電力増幅変調信号APWMの到達電位のステップ数が多いほど、平滑化された後の駆動信号COMの波形精度は向上する。
The power amplification modulation signal APWM is a value obtained by adding the first modulation signal PWM1 and the second modulation signal PWM2, and the power amplification modulation signal APWM of the first modulation signal PWM1 amplified by the first
また、電源電位VHVは、駆動信号COM、即ち電力増幅変調信号APWMの波高値の半分程度でよいので、平滑フィルタ29の周波数特性は比較的緩やかな周波数特性であっても、変調周波数を十分に除去することができる。換言すれば、平滑フィルタ29の次数を低くすることが可能となり、回路構成の簡素化、小型化を可能とすると共に、合わせてコイルLの端子間電位差が小さくなるため、ヒステリシスによる損失も小さい。また、2段のデジタル電力増幅器27a、27bに流れる総電流は同じでも、電源電位VHVを駆動信号COM、即ち電力増幅変調信号APWMの波高値の半分程度でよいので、省電力化が可能となると共に、デジタル電力増幅器27a、27bのスイッチング素子Q1、Q2の耐圧を低くすることができ、回路の小型化も可能となる。また、ブートストラップ回路32により、前段の第1デジタル電力増幅器27aがオン、後段の第2デジタル電力増幅器27bがオフの時、容量性負荷であるノズルアクチュエータ22及びブートストラップ回路32のコンデンサCBの電荷が電源VHV側に流れる回生が起きるため、更なる省電力化が可能となる。
Further, since the power supply potential VHV may be about half the peak value of the drive signal COM, that is, the power amplification modulation signal APWM, even if the frequency characteristic of the smoothing
図11の駆動信号COMは、変調回路26、デジタル電力増幅回路28、平滑フィルタ29の作用を説明するためのものであって、実際の駆動信号COM(駆動パルスPCOM)は、前述した図4のような波形である。即ち、駆動信号COM(駆動パルスPCOM)は、中間電位から立上がり、次いで中間電位より小さな電位まで立下がり、再び立上がって中間電位に復帰する。本実施形態では、この中間電位、即ち駆動信号COM(駆動パルスPCOM)の電圧保持電位を、図12に示すように、可変電源回路33の電源電位VHVとした。駆動信号COM(駆動パルスPCOM)が電源電位VHVであるときには、第1変調信号PWM1は例えばデューティ比100%の常時ハイレベル、第2変調信号PWM2は例えばデューティ比0%の常時ローレベルであり、第1デジタル電力増幅器27aは常時オン、第2デジタル電力増幅器27bは常時オフとなる。従って、駆動信号COM(駆動パルスPCOM)の電圧保持電位を可変電源回路33の電源電位VHVにすると、各デジタル電力増幅器27a、27bのスイッチング素子Q1、Q2のスイッチング回数を低減することができ、これによりスイッチングロスを低減することができる。また、デジタル電力増幅器27a、27bのスイッチング素子Q1、Q2を変調信号PWM1、PWM2でスイッチングすると、電力増幅変調信号APWMに当該変調信号PWM1、PWM2の変調周波数成分が乗ってしまい、その変調周波数成分を含む電力増幅変調信号APWMは平滑フィルタ29によって減衰されてしまう。これに対し、デジタル電力増幅器27a、27bのスイッチング素子Q1、Q2をスイッチングしなくてよい期間は、電力増幅変調信号APWMが減衰しないので、駆動信号COM(駆動パルスPCOM)の精度を確保することができる。
The drive signal COM in FIG. 11 is for explaining the operation of the
また、本実施形態では、制御回路24によって、可変電源回路33の電源電位VHVを可変制御する。この電源電位VHVの制御パラメータには、例えば液体噴射ヘッドの個体差、噴射される液体の特性などが挙げられ、液体の特性は、温度によって変化する粘性などが挙げられる。このようにして電圧保持電位に相当する電源電位VHVを制御することにより、駆動信号COM(駆動パルスPCOM)の精度をより一層確保することができる。
In the present embodiment, the
このように本実施形態の電力増幅装置によれば、ノズルアクチュエータ22を駆動するための基となる駆動波形信号WCOMを変調回路26でパルス変調し、その変調信号をデジタル電力増幅回路28で電力増幅し、その電力増幅された電力増幅変調信号APWMを平滑フィルタ29で平滑化し、ノズルアクチュエータ22に向けて出力するにあたり、デジタル電力増幅回路28に、プッシュプル接続されたスイッチング素子Q1、Q2対からなるデジタル電力増幅器27a、27bを2段備え、電力増幅変調信号APWMを多値の信号としたことにより、2段のデジタル電力増幅器27a、27bの出力を組合せて電力増幅変調信号APWMとするため、当該電力増幅変調信号APWMの到達電位のステップ間の電位差が小さくなり、その電力増幅変調信号APWMから変調信号の周波数成分を除去するための平滑フィルタ29の次数を低くすることができると共に、電力増幅変調信号APWMを多値信号とすることにより高精度な駆動信号COMを得ることが可能となる。また、平滑フィルタ29の次数を低くすることによって回路の構成を簡素化、小型化することができる。また、電力増幅変調信号APWMの到達電位のステップ間の電位差が小さいので、デジタル電力増幅器27a、27bのスイッチング素子Q1、Q2の耐圧を低くすることができ、これにより回路の小型化が可能となる。そして、デジタル電力増幅器27a、27bへの電源電位VHVを駆動信号COM(駆動パルスPCOM)中の電圧保持電位とすることにより、その電位を出力しているときにデジタル電力増幅器27a、27bをスイッチングする必要がなくなり、スイッチングロスを低減することが可能となる。
As described above, according to the power amplifying apparatus of the present embodiment, the drive waveform signal WCOM that is a basis for driving the nozzle actuator 22 is pulse-modulated by the
また、電源回路33は電源電位VHVが可変な可変電源回路からなり、制御回路24が、環境に応じて、電源回路33の電源電位VHVを制御することとしたため、高精度の駆動信号COM(駆動パルスPCOM)を出力することができる。
また、複数段のデジタル電力増幅器27a、27bを同一の電源回路33に接続することにより、回路の小型化が可能となる。
The
Further, by connecting a plurality of stages of
次に、本発明の電力増幅装置を液体噴射型印刷装置に適用した第2実施形態について説明する。本実施形態が適用された液体噴射型印刷装置の概略構成は、前記第1実施形態と同様であり、制御装置やスイッチングコントローラの構成、作用も前記第1実施形態と同様である。図13に、本実施形態の駆動信号出力回路を示す。本実施形態の駆動信号出力回路は、前記第1実施形態の駆動信号出力回路に類似しており、同等の構成には同等の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
本実施形態では、第2デジタル電力増幅器27bのハイサイドが、前記第1実施形態と同様に、第1可変電源回路33の電源電位VHVに接続されているのに対し、第1デジタル電力増幅器27aのハイサイドは第2可変電源回路34の電源電位VHV’に接続されている点が異なる。各可変電源回路33、34の電源電位VHV、VHV’は、夫々、制御回路25によって独自に制御可能である。
Next, a second embodiment in which the power amplifying device of the present invention is applied to a liquid jet printing apparatus will be described. The schematic configuration of the liquid jet printing apparatus to which this embodiment is applied is the same as that of the first embodiment, and the configurations and operations of the control device and the switching controller are also the same as those of the first embodiment. FIG. 13 shows a drive signal output circuit of this embodiment. The drive signal output circuit according to the present embodiment is similar to the drive signal output circuit according to the first embodiment. The same components are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
In the present embodiment, the high side of the second
この実施形態では、第2デジタル電力増幅器27bの出力は第2可変電源回路34の電源電位VHV’がブートストラップされているので、本実施形態では、図14に示すように、第2可変電源回路34の電源電位VHV’を駆動信号COM(駆動パルスPCOM)の中間電位、即ち電圧保持電位に設定する。従って、前記第1実施形態と同様に、駆動信号COM(駆動パルスPCOM)が中間電位、即ち電圧保持電位にあるとき、第1デジタル電力増幅器27aは常時オン、第2デジタル電力増幅器27bは常時オフとなって、各デジタル電力増幅器27a、27bのスイッチング素子Q1、Q2のスイッチング回数を低減することができ、これによりスイッチングロスを低減することができる。なお、本実施形態でも、環境に応じて、可変電源回路33、34の電源電位VHV、VHV’を可変制御するものとした。
In this embodiment, since the output of the second
例えば、前記第1実施形態では、駆動信号COM(駆動パルスPCOM)の全波高値が、中間電位である電源電位VHVの2倍値を越える場合には対応できない。本実施形態では、中間電位である電源電位VHV’に対し、駆動信号COM(駆動パルスPCOM)の最大出力電位VHV’+VHVを自在に設定することができるので、このような場合でも容易に対応することができる。
このように、本実施形態の電力増幅装置によれば、前記第1実施形態の効果に加え、複数段のデジタル電力増幅器27a、27bを、夫々異なる電源電位VHV、VHV’の電源回路33、34に接続することにより、駆動信号COM(駆動パルスPCOM)の自由度が高まる。
なお、前記実施形態では、本発明の電力増幅装置をラインヘッド型の液体噴射型印刷装置に用いた場合についてのみ詳述したが、本発明の電力増幅装置は、マルチパス型の液体噴射型印刷装置にも同様に適用可能である。
For example, the first embodiment cannot cope with the case where the total peak value of the drive signal COM (drive pulse PCOM) exceeds twice the power supply potential VHV, which is an intermediate potential. In the present embodiment, the maximum output potential VHV ′ + VHV of the drive signal COM (drive pulse PCOM) can be freely set with respect to the power supply potential VHV ′ that is an intermediate potential. be able to.
Thus, according to the power amplifying apparatus of the present embodiment, in addition to the effects of the first embodiment, the plurality of stages of
In the above-described embodiment, only the case where the power amplifying apparatus of the present invention is used in a line head type liquid jet printing apparatus has been described in detail. However, the power amplifying apparatus of the present invention is a multi-pass type liquid jet printing apparatus. The same applies to the apparatus.
また、前記実施形態では、本発明の電力増幅装置を液体噴射型印刷装置のデジタル電力増幅器の駆動回路に具体化したが、この限りではなく、インク以外の他の液体(液体以外にも、機能材料の粒子が分散されている液状体、ジェルなどの流状体を含む)や液体以外の流体(流体として流して噴射できる固体など)を噴射したり吐出したりする液体噴射装置に具体化することもできる。例えば、液晶ディスプレイ、EL(エレクトロルミネッサンス)ディスプレイ、面発光ディスプレイ、カラーフィルタの製造などに用いられる電極材や色材などの材料を分散又は溶解の形態で含む液状体を噴射する液状体噴射装置、バイオチップ製造に用いられる生体有機物を噴射する液体噴射装置、精密ピペットとして用いられて試料となる液体を噴射する液体噴射装置であってもよい。更に、時計やカメラなどの精密機械にピンポイントで潤滑油を噴射する液体噴射装置、光通信素子などに用いられる微小半球レンズ(光学レンズ)などを形成するための紫外線硬化樹脂などの透明樹脂液を基板上に噴射する液体噴射装置、基板などをエッチングするために酸又はアルカリなどのエッチング液を噴射する液体噴射装置、ジェルを噴射する流状体噴射装置、トナーなどの粉体を例とする固体を噴射する流体噴射式記録装置であってもよい。そして、これらのうち何れか一種の噴射装置に本発明を適用することができる。 In the above embodiment, the power amplifying device of the present invention is embodied in the drive circuit of the digital power amplifier of the liquid jet printing apparatus. However, the present invention is not limited to this. The present invention is embodied in a liquid ejecting apparatus that ejects or ejects a fluid other than a liquid (including a liquid material in which particles of material are dispersed, a fluid such as a gel), or a fluid other than a liquid (such as a solid that can be ejected as a fluid). You can also. For example, a liquid material ejecting apparatus that ejects a liquid material that contains materials such as electrode materials and color materials used in the manufacture of liquid crystal displays, EL (electroluminescence) displays, surface-emitting displays, color filters, and the like in a dispersed or dissolved form. Further, it may be a liquid ejecting apparatus that ejects a bio-organic matter used for biochip manufacturing, or a liquid ejecting apparatus that ejects a liquid that is used as a precision pipette to become a sample. In addition, transparent resin liquids such as UV curable resins for forming liquid injection devices that inject lubricating oil onto precision machines such as watches and cameras, micro hemispherical lenses (optical lenses) used in optical communication elements, etc. Examples include a liquid ejecting apparatus that ejects a liquid onto a substrate, a liquid ejecting apparatus that ejects an etching solution such as acid or alkali to etch the substrate, a fluid ejecting apparatus that ejects a gel, and a powder such as toner. It may be a fluid ejection recording apparatus that ejects a solid. The present invention can be applied to any one of these injection devices.
1は印刷媒体、2は液体噴射ヘッド、3は給紙部、4は搬送部、5は給紙ローラ、6は搬送ベルト、7は電動モータ、8は駆動ローラ、9は従動ローラ、10は排紙部、11は固定プレート、22はノズルアクチュエータ、23は波形メモリ、24は制御回路、25は駆動波形信号発生回路、26は変調回路、27a、27bはデジタル電力増幅器、28はデジタル電力増幅回路、29は平滑フィルタ、30はゲート駆動回路、31はハーフブリッジD級出力段、32はブートストラップ回路、33、34は可変電源回路 1 is a print medium, 2 is a liquid ejecting head, 3 is a paper feed unit, 4 is a transport unit, 5 is a paper feed roller, 6 is a transport belt, 7 is an electric motor, 8 is a drive roller, 9 is a driven roller, 10 is A paper discharge unit, 11 is a fixed plate, 22 is a nozzle actuator, 23 is a waveform memory, 24 is a control circuit, 25 is a drive waveform signal generation circuit, 26 is a modulation circuit, 27a and 27b are digital power amplifiers, and 28 is digital power amplification. Circuit, 29 is a smoothing filter, 30 is a gate drive circuit, 31 is a half-bridge class D output stage, 32 is a bootstrap circuit, 33 and 34 are variable power supply circuits
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