JP2011218745A - 容量性負荷駆動回路 - Google Patents

Abstract

【課題】容量性負荷の静電容量と回路抵抗値とから決定される回路時定数が変化することによって生じる容量性負荷の充電速度または放電速度の変化を防止し、所望の駆動波形を得ることが可能な容量性負荷駆動回路を提供する。
【解決手段】容量性負荷駆動回路は、容量性負荷である複数の駆動素子と、複数のコンデンサーと、前記複数のコンデンサーに電力を供給する電源と、前記複数のコンデンサーと前記複数の駆動素子間の接続を切替える切替え手段と、前記切替え手段を制御する制御手段と、を有し、前記制御手段は、前記複数の駆動素子に対して印加される電荷容量の予測値に基づいて、前記切替え手段の接続状態を維持することを特徴とする。
【選択図】図８

Description

本発明は、容量成分を有する電気負荷を駆動する技術に関する。

容量性の負荷を駆動するアプリケーションの一例として、圧電素子を負荷としたインクジェットプリンター、また二つの電極間にある液晶物質を駆動する液晶ディスプレイ等がある。容量性の負荷は電荷の充放電を行うことで駆動されるが、従来は放電時にグランドに接続して電荷を全て棄てていたので、消費電力が大きいという課題があった。このため、容量性負荷に充電した電荷の一部を再利用しながら駆動する容量性負荷駆動回路が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−２８５４４１号公報

しかし、提案されている技術では、容量性負荷に任意の電圧波形を印加する場合に、容量性負荷の静電容量と回路抵抗値とから決定される回路時定数が変化すると、負荷の充電および放電速度が変化し、負荷に所望の波形を印加できないという課題がある。より詳細な課題の説明のために、一例として圧電素子を負荷とするインクジェットプリンターの駆動回路に特許文献１に示す回路を用いた場合を考える。
インクジェットプリンターのヘッドは複数のノズルで形成されており、任意の画像を形成できるように、前述した複数のノズルから個別にインクの吐出制御が可能なように構成されている。

具体的な構成例として、ノズル毎に個別のスイッチと、容量性負荷である圧電素子が用意されており、インクを吐出させたいノズルに関してのみスイッチをオン状態にし、スイッチの先にある圧電素子に所望の駆動波形を印加する仕組みとなっている。この場合、一つの画像形成中に頻繁にスイッチのオンオフ状態が変化するため、その度に接続されている圧電素子の数、すなわち負荷の容量値が変化する。これにより、容量性負荷の静電容量と、回路抵抗値とから決定される回路時定数が変化し、容量性負荷の充電速度、または放電速度が変化するため、所望する駆動波形が得られなくなってしまう。

前述したように、インクジェットプリンターは印刷する画像によって任意の駆動波形を形成し、その駆動波形を圧電素子に印加することで吐出するノズル数、つまり、駆動する圧電素子の数を変化させる。圧電素子に印加される駆動波形が変化する度に負荷容量が変化するため、所望する駆動波形が得られなければ、インクジェットプリンターの場合には高精度な画像形成ができないという課題がある。

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］本適用例に係る容量性負荷駆動回路は、噴射口に設けられた複数の駆動素子に電圧を印加して該複数の駆動素子を駆動することにより、該噴射口から流体を噴射する流体噴射装置の容量性負荷駆動回路であって、
前記複数の駆動素子は、印加される電圧が上昇すると該電圧に応じた電荷を蓄え、該印加される電圧が降下すると蓄えた電荷を放出する素子であり、
複数のコンデンサーと、
前記複数のコンデンサーに電力を供給する電源と、
前記複数のコンデンサーと前記複数の駆動素子間の接続を切替える切替え手段と、
前記切替え手段を制御する制御手段と、を有し、
前記制御手段は、前記複数の駆動素子に対して印加される電荷容量の予測値に基づいて、前記切替え手段の接続状態を維持することを特徴とする。

［適用例２］上記適用例に記載の容量性負荷駆動回路において、前記切替え手段の接続状態を維持することは、前記複数の駆動素子に対して印加される電荷容量の予測値に基づいて、接続される必要のあるコンデンサー数のうち、最終個目のコンデンサーを容量性負荷に接続した時の前記スイッチの接続状態を維持するように制御することであることを特徴とする。

［適用例３］本適用例に係る容量性負荷駆動回路は、噴射口に設けられた複数の駆動素子に電圧を印加して該複数の駆動素子を駆動することにより、該噴射口から流体を噴射する流体噴射装置の容量性負荷駆動回路であって、
前記複数の駆動素子は、印加される電圧が上昇すると該電圧に応じた電荷を蓄え、該印加される電圧が降下すると蓄えた電荷を放出する素子であり、
複数のコンデンサーと、
前記複数のコンデンサーに電力を供給する電源と、
前記複数のコンデンサーと前記複数の駆動素子間の接続を切替える切替え手段と、
前記切替え手段を制御する制御手段と、を有し、
前記制御手段は、前記複数の駆動素子に対して印加される電荷容量の予測値に基づいて、前記複数の駆動素子に印加される電圧が、所定電圧になるまでスイッチの接続状態を維持するように制御することを特徴とする容量性負荷駆動回路。

［適用例４］上記適用例に記載の容量性負荷駆動回路において、前記切替え手段の接続状態を維持することは、前記複数の駆動素子に対して印加される電荷容量の予測値に基づいて、前記切替え手段の接続状態を維持する時間を制御することを特徴とする。

上記適用例に記載の容量性負荷駆動回路によれば、容量性負荷である複数の駆動素子と、複数のコンデンサーと、前記複数のコンデンサーに電力を供給する電源と、前記複数のコンデンサーと前記複数の駆動素子間の接続を切替える切替え手段と、前記切替え手段を制御する制御手段と、を有し、前記制御手段は、前記複数の駆動素子に対して印加される電荷容量の予測値に基づいて、前記切替え手段の接続状態を維持することを特徴とするものである。
すなわち、駆動素子に印加する駆動波形において、少なくとも駆動波形の極大電位（波高値）、及び極小電位を出す際には、切替え手段による負荷とコンデンサーの接続状態を、負荷の電圧変化が飽和するまで維持するように制御する。
これにより、任意の波形を駆動する際に負荷容量値が大きい場合でも、待機時に負荷の電位を安定的に基準電位に設定することが可能となり、例えばインクジェットプリンターに用いる場合には安定的なインクの吐出状態を実現することが可能となり、高精度な画像形成を行うことができる。

実施例１の容量性負荷駆動回路を示す回路図。 実施例１の容量性負荷駆動回路（簡易例）を示す回路図。 切替え手段が圧電素子に所望の駆動波形を印加する場合のスイッチシーケンス例を示すシーケンス図。 コンデンサーと容量性負荷との接続例を示す回路図。 コンデンサーと容量性負荷との他の接続例を示す回路図。 図５で示す回路における充電時間−電圧特性を示すグラフ。 負荷容量値が大きくなった場合の負荷の電圧波形の変化の例を示す図。 スイッチシーケンスを用いた場合の、負荷の電圧波形の変化の例を示す図。 基準がグランドレベル以外である場合の駆動波形及び切替え手段のシーケンス例を示すシーケンス図（実施例２）。

本発明を実施するための形態の一例について、図面を基に説明する。

図１に示すように、本実施例の容量性負荷駆動回路はN個の電源１、N個のコンデンサー２、N個のコンデンサーと容量性負荷との接続を選択的に切替え可能な切替え手段３、切替え手段３を制御する制御手段４により構成されている。ここで、電源は複数であっても、単一の電源を分圧器により分圧しても、あるいは単一の電源を用いて充電したコンデンサーの接続を、並列、直列に切替える。

本実施例では説明の簡易化のため、図２に示すようにN＝３の状態の回路を用いて実施例の説明を行う。
また本実施例では図２に示すように、容量性負荷として複数のスイッチ２５及び各スイッチ毎に接続された圧電素子２６で構成されたアクチュエーター２７を接続する場合を考える。

アクチュエーター２７は、スイッチ２５の制御によって接続される圧電素子の数が変化するため、負荷容量が変動する。このようなアクチュエーターを用いるアプリケーションの一例として、インクジェットプリンターが挙げられる。図２に示すように、複数の電源２１は２１a、２１b、２１cの三つの電源で構成され、各電源はそれぞれ異なる電圧を出力する。
本実施例では、２１aからは５V、２１bからは１０V、２１cからは１５Vの電圧を出力するものとする。以上三つの電源２１a、２１b、２１cの出力には、それぞれコンデンサー２２a、２２b、２２cを接続する。コンデンサー２２a、２２b、２２cはそれぞれ５V、１０V、１５Vに充電される。

またこれらのコンデンサーは、選択的に負荷と接続できるように切替え手段２３を介してアクチュエーター２７に接続される。本実施例では切替え手段２３の構成例として、コンデンサー２２a、２２b、２２cのそれぞれにスイッチ２３a、２３b、２３cを接続し、各スイッチのもう一方の端子を共通にして負荷であるアクチュエーター２７を接続するものとする。さらに、アクチュエーター２７から電荷をグランドに放電できるように、一方の端子がグランド、他方の端子がアクチュエーター２７に接続されたスイッチ２３gを用意する。

次に図３を用いて、図２に示す回路を用いて圧電素子２６に所望の駆動波形を印加する場合の切替え手段２３のスイッチシーケンス例を説明する。
図３に示すように、圧電素子２６にグランドから１５Vの電圧を印加して充電する場合を考える。最初、切替え手段２３ではスイッチ２３gのみがオンになっており、負荷である圧電素子２６はグランドレベルに電位が設定される。次に所望のタイミングで切替え手段２３の状態を、スイッチ２３aのみがオンとなるように設定する。この状態で、負荷である圧電素子２６の電位がコンデンサー２１aと同等レベルまで上昇するための条件を検討する。図４に示すように、コンデンサー４２a’（電位は５［V］、容量はCa［F］とする）と容量性負荷４６（電位は０［V］、容量はCL［F］とする）が、スイッチ４３a’を介して接続されている回路を考える。

この場合、スイッチ４３a’を閉じる前のコンデンサー４２a’の電荷量Q１はQ１＝５・Caとなる。一方負荷８は電位がゼロであるので、その電荷量をQ２とすると、Q２＝０である。従って、図４に示す系の総電荷量Qは、Q＝Q１＋Q２＝５・Caである。
次に、図４においてスイッチ４３a’を閉じた場合を考える。このとき、コンデンサー４２a’または負荷４６の電位が等電位（X［V］とする）になるまで、コンデンサー４３a’の電荷が負荷４６に移動する。電荷移動後のコンデンサー４２a’の電荷量Q１’はQ１’＝X・Ca、また負荷８の電荷量Q２’はQ２’＝X・CLであるので、総電荷量QはQ＝Q１’＋Q２’＝X（Ca＋CL）となる。

ここで、電荷の移動前後で総電荷量Qの値は変わらないので、スイッチ４３a’の開閉前後の総電荷量は同じであるから、５・Ca＝X（Ca＋CL）となり、Xについて解くとX＝５・Ca／（Ca＋CL）［V］となる。従ってスイッチ４３a’を閉じた後の負荷４６の電圧Xが、スイッチ４３a’を閉じる前のコンデンサー４２a’の電圧（５V）と同等になるためには、コンデンサー４２a’の容量Caが負荷４６の容量CLよりも十分に大きい必要がある。

ここで、図２に示すアクチュエーター２７の総容量値は変動するため、実際にはコンデンサー２２a’の容量はアクチュエーター２７の取り得る最大負荷容量値よりも十分に大きな値にしておくことが必要となる。アクチュエーター２７の最大負荷容量値をCL［F］とした場合、例えばコンデンサー２２a’の容量がCLの１００倍であれば、スイッチ２３a’を閉じた後のアクチュエーター２７の電圧X［V］はX＝５・１００（１００＋１）＝４．９５［V]となり、ほぼスイッチ２３a’を閉じる前のコンデンサー２２a’の電位と同等になる。

同様の考えを基に、本実施例では図２に示すコンデンサー２２a、２２b、２２cの容量値を、負荷であるアクチュエーター２７の取り得る最大負荷容量値の１００倍程度の値とする。
このような条件の基で、図２におけるスイッチ２３a、２３b、２３cを図３に示すようなシーケンスで、順次自スイッチだけがオンになるように切替えていくと、圧電素子２６には段階的にコンデンサー２２a、２２b、２２cから電荷が分配され、さらにその電圧はコンデンサー２２a、２２b、２２cとほぼ同等の値に、階段状に上昇していく。

このとき、コンデンサー２２a、２２b、２２cに蓄えられていた電荷量は、スイッチ２３a、２３b、２３cがオンされる前に比べて一旦減少する。次に図２および図３に示すように、圧電素子２６を１５Vからグランドレベルまで充電する場合を考える。図２および図３に示すように、スイッチ２３cのみがオンされている状態から、順次スイッチ２３b、２３a、２３gを自スイッチだけがオンになるように切替えていく。すると圧電素子２６から段階的にコンデンサー２２b、２２aに電荷が回収され、回収されなかった電荷は最後にグランドに棄てられる。さらにその電圧はコンデンサー２２b、２２a、グランドレベルとほぼ同等の値に、階段状に下降していく。

ここで、アクチュエーター２７の電圧が図３に示すように、ほぼ等電位間隔で階段状に上昇、下降した場合、負荷の電位上昇時にコンデンサー２２a、２２bから分配されて減少した電荷は、負荷の電位下降時にほぼ同じ分だけコンデンサー２２a、２２bに電荷が回収されるため、図３に示すような波形を負荷に形成した際には、系のエネルギー損失はコンデンサー２３cのエネルギー減少分のみとなる。

しかしながら、現実的には図４に示したような等価回路を実現するのは困難であり、実際には図５に示すような抵抗成分５８を含んだ等価回路となる。この抵抗成分５８の例としては、図２を用いた場合、スイッチ２３やスイッチ２６のオン抵抗、回路の線分抵抗、負荷であるアクチュエーター２７内の抵抗等である。図５のような回路で考えた場合、スイッチ５３a”をオンにしてコンデンサー５２a”から容量性負荷５６に電荷を分配した際の充電時間−電圧特性は、図６に示すようなものとなる。

ここで、回路の時定数はτ＝R・CL（Ca＞＞CL）と表現する。従って図６に示すように、図２に示すような容量値が変動するような負荷（アクチュエーター７）を駆動する場合、回路の時定数が変化するために、負荷容量値変動によって負荷への電荷充電速度が変化し、負荷の容量値が大きくなるにつれて所望の駆動波形をアクチュエーター２７に印加することが出来なくなる可能性がある。

図７に、負荷容量値が大きくなった場合の負荷の電圧波形の変化の例を示す。図７より、負荷容量が大きくなるにつれて所定の時間内に負荷の電位が所望の値まで到達せず、所望の駆動波形を印加できなくなることが分かる。一例としてインクジェットプリンターの場合、一つの画像を形成する間に頻繁に負荷容量値が変化するため、特に負荷容量値が大きくなった場合に所望の駆動波形が形成できないと、十分な画質が得られないという課題が生じる。そこで図８に示すようなスイッチシーケンスを用いることで課題を解決する。

以下、そのシーケンスについて詳細に説明する。圧電素子の駆動特性を安定させるための一手段として、圧電素子に印加する駆動波形の電位差を一定にすることが重要であると考えられる。そこで本実施例では、圧電素子に印加する駆動波形において、少なくとも駆動波形の極大電位（波高値）、及び極小電位を出す際には、切替え手段による負荷とコンデンサーの接続状態を、負荷の電圧変化が飽和するまで維持するように制御する。

図８に示す駆動波形の場合、極大電位は１５V、極小電位はグランドレベルであるので、図２に示す切替え手段のうちスイッチ２３cまたは２３gのみをオンとした時には、負荷の電圧変化が飽和するまでスイチ２３cまたは２３gのオン状態を維持するように制御する。このような制御を行うことで、所望の電位差の駆動波形を負荷に印加することが可能となる。

また図８において、駆動波形の極大及び極小電位以外の電位を形成する時、すなわちスイッチ２３aまたは２３bのみをオン状態にする場合に関しても、負荷の電位変化が飽和するまでスイッチのオン状態を維持してもよい。ただし、回路時定数が大きいほど駆動波形の波高値までの立ち上がり時間、及び波高値からの立下り時間が長くなるため、負荷容量が大き過ぎる場合には圧電素子の駆動特性が変化してしまう恐れがある。従って、望ましくは駆動波形の極大電位及び極小電位を出す際にのみ、切替え手段の接続状態を負荷の電圧変化が飽和するまで維持するように制御するのがよい。

次に、図２に示す回路において負荷であるアクチュエーター２７に駆動波形を印加する際に、ある波形を形成する時の最初と最後の基準がグランドレベル以外である場合を考える。

図９に、基準がグランドレベル以外である場合の駆動波形及び切替え手段２３のシーケンス例を示す。ただし本実施例中では、負荷とコンデンサー２２aを切替え手段２３で接続し、負荷の電位変化が飽和した時点での電位を基準レベルと定義する。
この場合、図２に示すシステムに電源を入れて稼動させた直後に、グランドレベルから前記基準レベルまで負荷の電位を上昇させ、待機状態にする必要がある。負荷が図２に示すような負荷変動が起こりうるアクチュエーター２７であった場合、全圧電素子を待機状態にする、すなわち基準レベルまで上昇させるために、全スイッチ２５がオンする状態となる。

この時、アクチュエーター２７の負荷容量値は最大となるので、前記回路時定数が最大となり、負荷の充電に時間がかかる。そこで本実施例では待機状態に持っていく場合に、少なくとも負荷の電圧を基準レベルにする際の切替え手段の状態、すなわち図９の場合におけるスイッチ２３aのみがオンの状態を、負荷の電圧変化が飽和するまで維持するように制御する。

また、この待機状態から任意の波形を形成した後について考える。本実施例では任意の波形を形成する前と後は必ず負荷の電位を前記基準レベルにすることを前提とする。従って図９に示すように、任意の波形を形成した後に関しても、前記任意の波形を形成していた間にオンしていた負荷のスイッチ２５はオンにしておく。そして、任意の波形を形成した最後には必ず基準レベルを負荷に形成するための手順、すなわち本実施例中では図２に示すスイッチ２３aをオン状態にする手順を入れ、かつオン状態のスイッチ２５の先に接続されている全圧電素子２６の電位が、前記基準電位の値に飽和するまでスイッチ２３aのオン状態を維持するように制御する。

このように制御することで、任意の波形を駆動する際に負荷容量値が大きい場合でも、待機時に負荷の電位を安定的に基準電位に設定することが可能となる。

なお、前述の実施例では、N個の電源１、N個のコンデンサー２、N個のコンデンサーと容量性負荷との接続を選択的に切替え可能な切替え手段３、切替え手段３を制御する制御手段４により構成され、N＝３の状態の容量性負荷駆動回路を一例に用いて説明したが、電源１については単数であってもよい。例えば、一つの電源に、複数のコンデンサーが直列に接続された構成でもよい。また、直列に接続した一部のコンデンサーを他のコンデンサー対して並列に接続された状態に切り替える構成としてもよい。
このような構成の容量性負荷駆動回路によれば、前述の効果に加え、電源数が少なくなるため容量性負荷駆動回路電源の大型化も防止することが可能となる。

１、２１、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ…電源、２、２２、２２ａ。２２ｂ、２２ｃ…コンデンサー、３、２３…切替え手段、４…制御手段、７…アクチュエーター、８…負荷、２３ａ、２３ｂ、２３ｃ、２３ｇ…切替え手段としてのスイッチ、２５…負荷としてのスイッチ、２６…圧電素子、２７…アクチュエーター、４２…コンデンサー、４３…スイッチ、４６…負荷、５２…コンデンサー、５３…スイッチ、５６…容量性負荷、５８…抵抗成分。

Claims (4)

1. 噴射口に設けられた複数の駆動素子に電圧を印加して該複数の駆動素子を駆動することにより、該噴射口から流体を噴射する流体噴射装置の容量性負荷駆動回路であって、
   前記複数の駆動素子は、印加される電圧が上昇すると該電圧に応じた電荷を蓄え、該印加される電圧が降下すると蓄えた電荷を放出する素子であり、
   複数のコンデンサーと、
   前記複数のコンデンサーに電力を供給する電源と、
   前記複数のコンデンサーと前記複数の駆動素子間の接続を切替える切替え手段と、
   前記切替え手段を制御する制御手段と、を有し、
   前記制御手段は、前記複数の駆動素子に対して印加される電荷容量の予測値に基づいて、前記切替え手段の接続状態を維持することを特徴とする容量性負荷駆動回路。
2. 前記切替え手段の接続状態を維持することは、前記複数の駆動素子に対して印加される電荷容量の予測値に基づいて、接続される必要のあるコンデンサー数のうち、最終個目のコンデンサーを容量性負荷に接続した時の前記スイッチの接続状態を維持するように制御することであることを特徴とする請求項１に記載の容量性負荷駆動回路。
3. 噴射口に設けられた複数の駆動素子に電圧を印加して該複数の駆動素子を駆動することにより、該噴射口から流体を噴射する流体噴射装置の容量性負荷駆動回路であって、
   前記複数の駆動素子は、印加される電圧が上昇すると該電圧に応じた電荷を蓄え、該印加される電圧が降下すると蓄えた電荷を放出する素子であり、
   複数のコンデンサーと、
   前記複数のコンデンサーに電力を供給する電源と、
   前記複数のコンデンサーと前記複数の駆動素子間の接続を切替える切替え手段と、
   前記切替え手段を制御する制御手段と、を有し、
   前記制御手段は、前記複数の駆動素子に対して印加される電荷容量の予測値に基づいて、前記複数の駆動素子に印加される電圧が、所定電圧になるまでスイッチの接続状態を維持するように制御することを特徴とする容量性負荷駆動回路。
4. 前記切替え手段の接続状態を維持することは、前記複数の駆動素子に対して印加される電荷容量の予測値に基づいて、前記切替え手段の接続状態を維持する時間を制御することであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の容量性負荷駆動回路。

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