JP2011194640A - 液体噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の電力増幅器を用いて電力増幅する場合に、簡易な構成で安定して動作させることが可能な液体噴射装置の提供を目的とする。
【解決手段】液体噴射用のアクチュエーターを駆動するための基準となる駆動波形信号を発生する駆動波形信号発生回路と、前記駆動波形信号発生回路で発生された駆動波形信号をパルス変調する変調回路と、プッシュプル接続されたスイッチング素子対により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２ｎ個（ｎ≧１）の電力増幅素子と、前記電力増幅器を駆動する２ｎ個（ｎ≧１）の増幅器駆動回路と、前記電力増幅器で電力増幅された電力増幅変調信号を平滑化する平滑フィルターと、前記駆動波形信号発生回路で発生される駆動波形信号のデータと駆動アクチュエーター数に応じて前記増幅器駆動回路の出力電圧を調整する機構を備える。
【選択図】図１

Description

この発明は液体噴射装置に関するものである。

インクジェットプリンターに代表される液体噴射型印刷装置では、電力増幅回路で電力増幅された駆動信号を圧電素子などのノズルアクチュエーターに印加してノズルから液体を噴射するが、例えばリニア駆動されるプッシュプル接続型トランジスター等のアナログ電力増幅器で駆動信号を電力増幅すると、損失が大きく、放熱のための大きなヒートシンクが必要となる。そこで、駆動信号をデジタル電力増幅器、所謂Ｄ級アンプ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。特に、非特許文献１に示すマルチレベルインバーター構成のＤ級アンプは高効率かつ低ＴＨＤ（）が可能とする構成であり、上記電力増幅回路の更なる小型高効率化が期待できる。

電気学会 Ｄ部門 論文誌，１２５巻 ７号，２００５年

マルチレベルインバーター構成のＤ級アンプは、複数段の電力増幅器により構成される。本構成においては、下段の電力増幅器はグラウンド電位基準で動作し、上段の電力増幅器は下段の電力増幅器の出力を基準電位とし動作する。このため、電力増幅器の出力信号にリンギングなど高周波ノイズが発生すると、基準電位が安定せず、電力増幅器が誤作動を引き起こす可能性がある。上記問題の原因であるリンギングを抑制するため、非特許文献１に示すように電力増幅素子のゲート駆動回路を工夫することが検討されているが、素子点数が増加するため回路規模が増大すること、制御が複雑化すること、ゲート抵抗を増大させることによりスイッチング速度の低下などの問題が生じる。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

［適用例１］本適用例に記載の液体噴射装置は、液体噴射用のアクチュエーターを駆動する基準となる駆動波形信号を発生する駆動波形信号発生回路と、前記駆動波形信号発生回路で発生された駆動波形信号をパルス変調する変調回路と、プッシュプル接続されたスイッチング素子対により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２ｎ個（ｎ≧１）の電力増幅素子と、前記電力増幅素子を駆動する電力増幅素子駆動回路と、電力増幅素子で電力増幅された電力増幅変調信号を平滑化する平滑フィルターと、を備えた液体噴射装置であって、前記駆動波形信号発生回路で発生される駆動波形信号のスルーレートデータと駆動アクチュエーター数により、電力増幅器のハードスイッチング領域を検出する機構と、ハードスイッチング領域における電力増幅器の出力波形リンギングを抑制する機構とを備える。

本適用例に記載の液体噴射装置によれば、簡易な構成で誤動作を防止できる高効率かつ低ＴＨＤの電力増幅回路が達成し、小型、高品位印刷が可能な液体噴射装置を提供することができる。

［適用例２］上記適用例に記載の液体噴射装置によれば、前記ハードスイッチング領域を検出する機構は、駆動波形信号のスルーレートと駆動アクチュエーター数の積を参照し、ハードスイッチング領域を検出することが好ましい。

［適用例３］上記適用例に記載の液体噴射装置によれば、前記出力波形リンギングを抑制する機構は前記電力増幅素子駆動回路の電源電圧を変更することが好ましい。

本発明にかかる実施例としての印刷装置（液体噴出装置）の構成図。 電力増幅回路におけるソフトスイッチング領域の電流の説明図。 電力増幅回路におけるソフトスイッチング領域のゲート電圧、電力増幅回路出力電圧、出力電流の説明図。 電力増幅回路におけるハードスイッチング領域の電流の説明図。 電力増幅回路におけるハードスイッチング領域のゲート電圧、電力増幅回路出力電圧、出力電流の説明図。 台形波を出力時の電力増幅回路の出力電流と出力電圧を示す説明図（常時ソフトスイッチング領域）。 台形波を出力時の電力増幅回路の出力電流と出力電圧を示す説明図（ソフトスイッチング領域とハードスイッチング領域が混在）。 ソフトスイッチング時とハードスイッチング時におけるゲートドライバー電源電圧を示す説明図。 ハードスイッチングの検出フロー図。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は本発明にかかる実施例としての印刷装置（液体噴出装置）の概略構成図である。波形メモリー１から出力されるアクチュエーター６を駆動するための駆動波形信号を変調回路２にてパルス変調する。パルス変調信号はレベルシフト回路を介して、あるいは直接ゲートドライバー回路３に入力される。ゲートドライバー回路３はプッシュプル接続されたＭＯＳＦＥＴ４のゲートを駆動し、ＭＯＳＦＥＴ対により変調信号を電力増幅する。ここでアクチュエーター駆動波形信号のスルーレートデータ（＝ｄＶ／ｄｔ）を格納する駆動波形スルーレートデータメモリー７と、描画する画像データにより定まる１駆動波形周期あたりの駆動アクチュエーター数データ８から、ハードスイッチング領域を検出するハードスイッチング検出機構９を有し、ハードスイッチングを検出すると電源電圧調整回路１０により、ゲートドライバー回路の電源電圧を低下させる。電力増幅された電力増幅変調信号はインダクタ、コンデンサーにより構成された平滑フィルター５により平滑化され、アクチュエーター６に出力される。

図２にＤ級増幅器の構成、図３にＭＯＳＦＥＴの出力電圧波形、電流波形を示し、Ｄ級増幅器のスイッチング領域における動作を簡単に説明する。Ｄ級増幅器においてはプッシュプル接続されたスイッチング素子対が同時オン状態となり、貫通電流が流れるのを防ぐために、スイッチング素子対が同時オフする区間（デッドタイム）を設けられている。図２、図３は電流の極性が交互に現れる領域であり、ソフトスイッチング領域と呼ばれる。この領域においては、デッドタイム区間中にこれからターンオンするＭＯＳＦＥＴに内蔵されるボディダイオードを電流が流れるため、図中ＶＳ電位はターンオフした瞬間に変換される。このため、ＭＯＳＦＥＴがターンオンした瞬間にターンオンするＭＯＳＦＥＴのドレインソース間電圧が変化するわけではない。それに対し、図４、図５は電流の極性が常に負向きの領域を示したものであり、ハードスイッチング領域と呼ばれる。ここでは、デッドタイム区間中にＶＳ電位は変換されず、ＭＯＳＦＥＴがターンオンした瞬間に変換される。図５の例においては、ＭＯＳＦＥＴ［Ｂ］がターンオンした瞬間に、ＭＯＳＦＥＴ［Ｂ］のドレインソース間電圧が急激に変化するため、ＭＯＳＦＥＴ［Ａ］の逆回復電荷が一気に放出され、瞬間的に大電流が流れる。この瞬間電流が、配線パターン又はＭＯＳＦＥＴのリードインダクタンスと共振するため、出力リンギング発生の原因となる。マルチレベルインバーター構成のＤ級アンプにおいては発生したリンギングの影響により誤動作を起こし易い。

以上より、マルチレベルインバーター構成のＤ級増幅器を安定して動作させるためには、ハードスイッチング領域におけるリンギングを抑制させることが必要である。尚、本例においては電流の極性が常に負向きの領域で説明したが、常に正向きの場合も同様にハードスイッチング領域が生じる。

本実施例１の印刷装置（液体噴射装置）はハードスイッチング領域を検出するハードスイッチング検出機構を備える。図２、図４の構成のＤ級増幅器を例に、台形波にてアクチュエーターを駆動した際の電力増幅器の出力電圧、出力電流を図６、図７の例により説明する。ＭＯＳＦＥＴには変調周期で流れる電流の他に、下式（１）に示すアクチュエーター駆動電圧Ｖ（ｔ）の時間微分（以下駆動波形のスルーレート）にアクチュエーターの負荷容量を乗じた値の電流が流れる。
Ｉ＝ＣｘｄＶ／ｄｔ ・・・・式（１）

この電圧の時間微分にアクチュエーターの負荷容量を乗じた値（＝電流値）が大きいと、ハードスイッチング領域が現れる。ここで図６、図７は同一駆動波形における駆動アクチュエーター数が少ない例、多い例であり、図６は常にソフトスイッチング領域、図７はソフトスイッチング領域とハードスイッチング領域が混在している。そこで、図９のハードスイッチングの検出フロー図に示すように、ハードスイッチング検出機構は、駆動アクチュエーターの負荷容量と、駆動波形のスルーレートの積を算出し、その値が予め定められた値以上になった際に電力増幅器がハードスイッチング領域にあると判定する。

本実施例についてはハードスイッチング領域に入るとハードスイッチング検出機構よりハードスイッチング検出信号が送られ、ゲートドライバー回路電源電圧調整回路により、ゲートドライバー回路の電源電圧を低下させる。通常の増幅器においてはゲートドライバー回路の出力電圧はＭＯＳＦＥＴをオンさせるために必要な閾値電圧よりも十分高い値に設定されている。これはゲートドライバー回路の出力電圧が高いと、ＭＯＳＦＥＴのオン抵抗が低下するため、省電力なスイッチングが可能なためである。

本実施例では、ソフトスイッチング領域においてゲートドライバー回路の電源電圧はＭＯＳＦＥＴをオンさせるために必要な閾値電圧よりも十分高い電圧に設定されているが（図８中Vgs_S）、ハードスイッチング領域におけるゲートドライバー回路の電源電圧はソフトスイッチング時よりも低く設定される（図８中Vgs_H）。つまり、ハードスイッチング領域においてはＭＯＳＦＥＴのオン抵抗がソフトスイッチング領域よりも高くなる。これにより、ハードスイッチング領域において、貫通電流として流れる逆回復電流量が減少すると共に、リンギング発生時にソフトスイッチング時よりもオン抵抗が高く、リンギングをダンピングするため、リンギングの小さい電力増幅回路の出力波形を得ることができる。

従って、本実施例によれば、簡易な構成で誤動作を防止できる高効率かつ低ＴＨＤの電力増幅回路が達成し、小型、高品位印刷が可能な液体噴射装置を提供することができる。

１…波形メモリー、２…パルス変調回路、３…ゲートドライバー回路、４…ＭＯＳＦＥＴ、５…平滑フィルター、６…アクチュエーター、７…駆動波形スルーレートデータメモリー、８…駆動アクチュエーター数データ、９…ハードスイッチング検出機構、１０…電圧調整回路。

Claims (3)

1. 液体噴射用のアクチュエーターを駆動する基準となる駆動波形信号を発生する駆動波形信号発生回路と、
   前記駆動波形信号発生回路で発生された駆動波形信号をパルス変調する変調回路と、
   プッシュプル接続されたスイッチング素子対により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２ｎ個（ｎ≧１）の電力増幅素子と、
   前記電力増幅素子を駆動するゲートドライバー回路と、
   前記電力増幅素子で電力増幅された電力増幅変調信号を平滑化する平滑フィルターと、を備えた液体噴射装置であって、
   前記駆動波形信号発生回路で発生される駆動波形信号のスルーレートデータと駆動アクチュエーター数により、電力増幅器のハードスイッチング領域を検出する機構と、
   ハードスイッチング領域における電力増幅器の出力波形リンギングを抑制する機構と、を備えることを特徴とする液体噴射装置。
2. 前記ハードスイッチング領域を検出する機構は、駆動波形信号のスルーレートと駆動アクチュエーター数の積を参照し、ハードスイッチング領域を検出することを特徴とする請求項１記載の液体噴射装置。
3. 前記出力波形リンギングを抑制する機構は前記電力増幅素子駆動回路の電源電圧を変更することを特徴とする請求項１記載の液体噴射装置。

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