JP2013534475A - ドライバ回路 - Google Patents

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Abstract

立ち上がり時間、所定の電圧期間及び立ち下がり時間を有する駆動パルスで容量性負荷（２）を駆動するためのドライバ回路（１）。ドライバ回路（１）は、インダクタンス（６）と、スイッチ（１０、１１、１２）と、一次側（８）及び二次側（９）を有する変圧器（８）とを含む。スイッチ（１０、１１、１２）は、コントローラ（１３）によって制御されて、電源（４）からインダクタンス（６）に通電し、容量性負荷（２）が駆動される場合、立ち上がり時間中、インダクタンス（６）から容量性負荷（２）への充電経路をイネーブル状態にし、一定のピーク電圧期間中、充電経路をディスエーブル状態にし、立下がり時間中、変圧器（７）の一次側（８）を介して、放電経路をイネーブル状態にする。容量性負荷（２）は、変圧器（７）の一次側（８）を通して放電する際、電荷が、変圧器（７）の二次側（９）に誘起され、インダクタンス（６）に通電するために用いられて省電力化と低電圧電源の使用が可能になる。

Description

本発明は、ドライバ回路に関し、特に、排他的ではないが、例えば、インクジェットプリンタにおける印字ヘッド等の容量性負荷用のドライバ回路に関する。
インクジェットプリンタが、文字及び／又は画像を様々な基板に印刷するために用いられることは、一般的に良く知られている。インクジェットプリンタは、圧電材料内に形成され個別にアドレス指定可能な圧電室から構成された印字ヘッドを有する。始動及び停止時、圧電室は、インク小滴を射出し、更にインクを圧電室に吸い込む。これらインク小滴は、基板の表面に制御された方法で配置され、これによって個々の文字及び／又は画像を基板の表面に形成できる。
圧電室は、ドライバ回路を用いて制御されるが、このドライバ回路は、所定の電圧波形を各室に印加するように用いられる。圧電材料は、容量性負荷の機能を果たし、その容量は、一度に作動している圧電室の数に比例する。従って、圧電室を作動させるのに必要な電流は、作動している圧電室の数に比例して増加する。
正確な印刷のためには、駆動電圧波形が、極めて高度に制御された数マイクロ秒のオーダの立ち上がり及び立ち下がりスルーレートを有すべきことは明らかである。電流波形は、一般的に、立ち上がり時間中の台形状の正のパルスと、立下がり時間中の同様な負のパルスとから成り、「オン」時間中、電流は引き出されない。
ほとんどの場合、実質的に一定の電圧であってよいが、波形の所定の電圧レベルは、２０〜３０Ｖのオーダであるが、幾つかのシステムでは、比較的高い電圧、例えば、最大１５０Ｖでなければならないことがある。これらの場合、市販の印字ヘッドに電力を供給するのに大規模な電源が必要なことがある。もちろん、高い必要電力及び大規模な電源が意味することは、複雑な制御回路及びかさばる放熱器が、周辺の印刷システムに損傷を与えることなく、確実に印字ヘッドから熱を除去するのに必要になるということである。このことは、たとえ完全な「オン」時間の間に高電圧が必要でも、極めて短時間の間、約１．５Ａの電流が必要なだけであることを意味する。
従って、本発明は、上述した従来技術の問題を克服するか又は少なくとも低減するドライバ回路を提供しようとするものである。
従って、第１態様において、本発明は、立ち上がり時間、所定の電圧期間及び立下がり時間を有する駆動パルスで容量性負荷を駆動するドライバ回路であって、電源に結合する入力と、第１スイッチング要素を含む第１充電経路を介して前記入力に結合された第１電極と、第２スイッチング要素を含む第１放電経路、および第２充電経路を介して容量性負荷を選択的に充電するための前記回路の出力に結合された第２電極とを有するインダクタンスと、第３スイッチング要素を含む第２放電経路と前記回路の前記出力との間に結合され、前記容量性負荷を選択的に放電するための一次側を有する変圧器であって、前記インダクタンスの前記第１電極に結合された二次側を有する前記変圧器と、前記第１、第２及び第３スイッチング要素に結合されたコントローラとを備え、前記コントローラは、前記第１充電経路及び前記第１放電経路をイネーブル状態にして、前記インダクタンスに前記電源から通電させること、前記駆動パルスの立ち上がり時間中、前記第１充電経路及び前記第１及び第２放電経路をディスエーブル状態にして、前記第２充電経路を介して前記インダクタンスから前記出力に電流を流して、前記容量性負荷を充電すること、前記駆動パルスの立ち上がり時間の終わりに前記第１放電経路をイネーブル状態にして、前記駆動パルスの前記所定の電圧期間中、前記インダクタンスから前記第１放電経路を通り前記第２スイッチング要素を介して電流を流すこと、前記駆動パルスの前記立下がり時間中、前記第２放電経路をイネーブル状態にし、前記容量性負荷を前記出力及び前記変圧器の一次側を介して放電して、前記変圧器の二次側に電圧を誘起させ、該電圧を用いて前記インダクタンスに通電することを行う、ドライバ回路を提供する。
第２態様によれば、本発明は、立ち上がり時間、所定の電圧期間及び立ち下がり時間を有する駆動パルスで容量性負荷を駆動するための方法であって、電源とインダクタンスとの間の第１充電経路及び前記インダクタンスからの第１放電経路をイネーブル状態にして、前記電源から前記インダクタンスに通電すること、前記駆動パルスの立ち上がり時間中、前記第１充電経路及び前記第１放電経路をディスエーブル状態にして、第２充電経路を介して、前記インダクタンスから前記容量性負荷に電流を流すこと、前記駆動パルスの立ち上がり時間の終わりに前記第１放電経路をイネーブル状態にして、前記駆動パルスの前記所定の電圧期間中、前記インダクタンスから前記第１放電経路を通して電流を流すこと、前記駆動パルスの前記立ち下がり時間中、第２放電経路をイネーブル状態にし、前記容量性負荷を変圧器の一次側を介して放電して、前記変圧器の二次側に電圧を誘起し、該電圧を用いて前記インダクタンスに通電することを備える、方法を提供する。
本発明の一実施形態によるドライバ回路を示す概略図。
次に、一例として、本発明の一実施形態について図面を参照して更に詳細に述べる。
従って、図面は、ドライバ回路１の概略図を示し、この回路１は、所定の実質的に台形状の波形で容量性負荷２を駆動できるが、容量性負荷の駆動には、最小限の電流の使用のみを必要とする。ドライバ回路１は、電源４に結合された入力３と、容量性負荷２に結合された出力５と、入力３と出力５との間に結合されたインダクタンス６と、インダクタンス６と並列に出力５と入力３との間に結合された変圧器７とを含む。
ドライバ回路１は、更に、入力３とインダクタンス６の第１電極との間に結合され、入力３（従って、電源４）とインダクタンス６との間の第１充電経路を選択的にイネーブル状態及びディスエーブル状態にする第１スイッチング要素１０と、抵抗器２４を介してインダクタンス６と接地との間に結合され、第１放電経路を選択的にイネーブル状態及びディスエーブル状態にする第２スイッチング要素１１と、変圧器７の一次側８と接地との間に結合され、容量性負荷２を放電するための第２放電経路を選択的にイネーブル状態及びディスエーブル状態にする第３スイッチング要素１２と、スイッチング要素１０、１１、１２を制御するためのコントローラ１３とを含む。スイッチング要素１０、１１、１２は、好適には、トランジスタを含む回路要素として具体化され、図示するようにＭＯＳＦＥＴ２５、２６、２７であってよく、また、当業者によって認識されるように、必要に応じて、他の構成要素を含んでよい。容量性負荷２は、複数の圧電室を有するインクジェット印字ヘッド又は他のそのような容量性負荷（１つ又は複数）であってよい。
第１充電経路には、アノードがスイッチング要素１０に接続され、カソードがインダクタンス６の第１電極に接続された第１ダイオード１７が含まれる。再循環ダイオード（recirculatingdiode）１８が、インダクタンス６の第１電極と接地との間に結合され、そのカソードは、ダイオード１７のカソードとインダクタンス６の第１電極とに接続され、そのアノードは、接地されている。第２充電経路には、ダイオード１５が含まれ、そのアノードは、インダクタンス６の第２電極に接続され、そのカソードは、出力５に接続されている。第２放電経路には、ダイオード２８が含まれ、そのアノードは、変圧器７の一次側８に接続され、そのカソードは、第３スイッチング要素１２に接続されている。ダイオード１６が、変圧器７の二次側９とインダクタンス６の第１電極との間に設けられ、そのアノードは、変圧器７の二次側９に接続され、そのカソードは、インダクタンス６の第１電極に接続されている。
従って、第１及び第２スイッチング要素１０、１１を閉状態にして、入力とインダクタンス６の第１電極との間の第１充電経路と、インダクタンスの第２電極と接地との間の第１放電経路と、がイネーブル状態になる時、インダクタンス６は、入力３を介して電源４から通電される。第３スイッチング要素１２は、この時、開状態になっているべきである。インダクタンス６は、一旦、通電されると、容量性負荷２を充電するために用いることができる。このことは、第３スイッチング要素１２を開状態に維持しつつ、第１及び第２スイッチング要素１０及び１１を開状態にすることによって起こる。従って、インダクタ電流は、ダイオード１５を通り出力５を介して流れて、容量性負荷２を充電する。容量性負荷２の充電を停止する場合、第２スイッチング要素１１を閉状態にする。容量性負荷２を放電する場合、第３スイッチング要素１２は、閉状態にし、変圧器７の一次側８及びダイオード２８を含む第２放電経路を通して接地への容量性負荷の放電を行う。容量性負荷２が変圧器７の一次側８を通して放電する際、変圧器７の二次側９には、電力が誘起され、この電流が、ダイオード１６を通過して、インダクタンス６の第１電極に戻り、インダクタンス６に通電する。
電源４からのインダクタ通電を制御するために、電流比較回路１４を用いて、第１放電経路の電流をコントローラ１３によって提供される所定の設定値と比較する。電流比較回路は、第２スイッチング要素１１と抵抗器２４との間の第１放電経路に接続された正入力を有する差動比較器１９を含む。本差動比較器は、コントローラ１３から必要な電流の所定の設定値を受け取るための、コントローラ１３に接続された負入力を有する。差動比較器１９の出力は、図示するように、幾つかの論理ゲートから構成される論理ゲート回路に印加される。もちろん、他の構成が可能なことは明らかである。論理ゲート回路は、ＮＡＮＤゲートフリップフロップとして機能するように接続された第１及び第２ＮＡＮＤゲート２０、２１を含み、差動比較器１９の出力は、フリップフロップへの一方の入力を形成し、コントローラ１３からのリフレッシュ信号がフリップフロップへの第２の入力を形成する。フリップフロップの出力は、第３ＮＡＮＤゲート２２への一方の入力として供給され、その他方の入力は、コントローラ１３からのリフレッシュ信号によって供給され、第３ＮＡＮＤゲートの出力は、第４ＮＡＮＤゲート２３の両方の入力に結合され、その出力は、第１スイッチング要素１０を制御するために用いられる。従って、コントローラによって制御されると、電流比較回路１４は、第１放電経路における電流を所定の値と比較し、電流が所定の値を超過している場合、第１スイッチング要素を制御して、第１充電経路をディスエーブル状態にする。
従って、スイッチング要素１０及び１１が閉状態である場合、インダクタンス６は、電流比較回路１４によって決定された電流レベルに達するまで通電される。インダクタンス６の電流レベルが所定のレベルに達すると、スイッチ１０が開状態になり、これによって、インダクタンス６の更なる通電を防止する。しかしながら、インダクタンス６は、電流を維持しようとし、電流は、ダイオード１８のカソードを通して、また、第１放電経路を通して、ダイオード１８の順方向降下および抵抗器２４の電圧降下に依存する減衰率で流れ続ける。従って、電流レベルが要求されるレベルより下がると、スイッチング要素１０は、閉状態になり、インダクタンス６は、以前のように通電される。電流比較回路１４には、或るレベルのヒステリシスが備えられ、このため、再充電は、インダクタンス６の通電がヒステリシスレベルだけ減衰した時のみ再開される。
インダクタンス６が所定のレベルに通電されると、要求された駆動パルスを容量性負荷２に供給することが可能である。上述したように、この時、スイッチング要素１０及び１２は開状態になり、スイッチング要素１１は閉状態になり、インダクタンス６の通電レベルを維持し監視する。スイッチング要素１１が開状態である場合、インダクタンス電流は、ダイオード１５を通して容量性負荷２に流れ込み、これによって容量性負荷２を充電する。電圧波形の立ち上がりスルーレートは、インダクタンス通電のレベルによって決定され、他方、ピーク電圧は、スイッチング要素１１が開状態である時間によって決定される。
一旦、充電されると、容量性負荷２は、スイッチング要素１２が閉状態になり、これによって変圧器７の一次側８を通る放電経路が容量性負荷２に提供されるまで、充電されたままである。放電中、エネルギが、変圧器７の二次側９に誘起されて、それは、ダイオード１６を通してインダクタンス６の第１電極に返される。立ち下がりスルーレートは、変圧器７を通して結合されたインダクタンス６を流れて容量性負荷２を放電する電流によって決定される。
もちろん、コントローラ１３は、ユーザ入力に応じてスイッチング要素１０、１１、１２を制御するように、コンピュータ、ネットワーク及び／又はモデム等の様々な他の外部回路（図示せず）と通信可能であるが、ユーザ入力は、コントローラ１３又は外部コンピュータに記憶されたソフトウェアの形態であってよい。通常動作では、ユーザ装置が容量性負荷２の充電を要求して、トリガパルスがユーザ装置からコントローラ１３に送られる。トリガパルスが受信されると、再充電パルスに割込をかけることが必要であり、これは、一般的に、非同期的に起こる。充電パルスの最大幅は、その充電がどのくらい減衰し、そしてなお、充電中、どのくらい設定レベルに回復し得るかによって決まり、従って、再充電パルスがどのくらいの頻度でなければならないかによって決まる。従って、要求されるレベルの通電がインダクタンス６に確実に蓄積するために、トリガパルスの前に充電パルスを起動することが必要であり得る。
従って、本発明の利点は、容量性負荷を充電するためにインダクタンスが用いられて、容量性負荷を充電するために用いられるエネルギが、放電する容量性負荷からインダクタンスにエネルギを返すことによって、システム内でリサイクルされることである。従って、立ち上がり時間、所定の電圧期間及び立下がり時間等の属性を有する波形を備えた駆動パルスを得るのに充分なレベルまでインダクタンスに通電するのに必要な電圧が、低減される。所定の電圧は、実質的に一定のピーク電圧であってよく、又は、所定の形状を有し得る。本発明を用いない装置と比較して、本発明を用いる装置に必要な電力が低減されることによって、用いられる電源電圧の低下、放熱器の小型化、及び熱制御回路の簡素化が可能になり、コストの上昇及び省スペース化が図れる。更に、波形のスルーレート及び所定の電圧は、必要に応じて、動的に修正して、多くの用途の波形を生成し得る。
本発明の１つの特定の実施形態だけについて詳細に説明したが、本発明の範囲から逸脱することなく、当業者によって様々な修正及び改善を行い得ることを認識されたい。例えば、「スイッチ」を具現化するためにＭＯＳＦＥＴを用いたが、このことは、他の装置を代わりに使用できないことを意味するものではないことを認識されたい。更に、回路については、当業者が簡単に理解できるように概略図で述べた。しかしながら、望まれる場合、他の構成要素や装置も本回路に利用してよいことは認識されたい。

Claims (11)

  1. 立ち上がり時間、所定の電圧期間及び立ち下がり時間を有する駆動パルスで容量性負荷を駆動するドライバ回路であって、
    電源に結合する入力と、
    第１スイッチング要素を含む第１充電経路を介して前記入力に結合された第１電極と、第２スイッチング要素を含む第１放電経路、および第２充電経路を介して容量性負荷を選択的に充電するための前記回路の出力に結合された第２電極とを有するインダクタンスと、
    第３スイッチング要素を含む第２放電経路と前記回路の前記出力との間に結合され、前記容量性負荷を選択的に放電するための一次側を有する変圧器であって、前記インダクタンスの前記第１電極に結合された二次側を有する前記変圧器と、
    前記第１、第２及び第３スイッチング要素に結合されたコントローラとを備え、
    前記コントローラは、
    前記第１充電経路及び前記第１放電経路をイネーブル状態にして、前記電源から前記インダクタンスに通電させること、
    前記駆動パルスの立ち上がり時間中、前記第１充電経路及び前記第１及び第２放電経路をディスエーブル状態にして、前記第２充電経路を介して前記インダクタンスから前記出力に電流を流して、前記容量性負荷を充電すること、
    前記駆動パルスの立ち上がり時間の終わりに前記第１放電経路をイネーブル状態にして、前記駆動パルスの前記所定の電圧期間中、前記インダクタンスから前記第１放電経路を通り前記第２スイッチング要素を介して電流を流すこと、
    前記駆動パルスの前記立ち下がり時間中、前記第２放電経路をイネーブル状態にし、前記容量性負荷を前記出力及び前記変圧器の一次側を介して放電して、前記変圧器の二次側に電圧を誘起させ、該電圧を用いて前記インダクタンスに通電することを行う、ドライバ回路。
  2. 請求項１に記載のドライバ回路において、
    前記コントローラは、前記充電及び放電経路の各々を選択的にイネーブル状態又はディスエーブル状態にする、ドライバ回路。
  3. 請求項１又は２に記載のドライバ回路において、
    前記第１放電経路に結合された第１入力と、前記コントローラから所定の設定電流値を受信するための前記コントローラに結合された第２入力とを有する電流比較回路を含み、
    前記電流比較回路は、前記第１放電経路の前記電流を前記所定の設定電流値と比較し、前記第１スイッチング要素を制御して、前記インダクタンスの所定のレベルの通電を維持する、ドライバ回路。
  4. 請求項４に記載のドライバ回路において、
    前記電流比較回路は、前記電流比較回路の第１入力に結合された正の入力と、前記電流比較回路の第２入力に結合された負の入力とを有する差動比較器を含み、
    前記差動比較器の出力は、前記第１スイッチング要素を制御するためのラッチ回路に結合される、ドライバ回路。
  5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載のドライバ回路において、
    前記スイッチング要素は、半導体装置である、ドライバ回路。
  6. 請求項６に記載のドライバ回路において、
    前記スイッチング要素は、ＭＯＳＦＥＴトランジスタである、ドライバ回路。
  7. 前記添付図面を参照して実質的に上述したドライバ回路。
  8. 立ち上がり時間、所定の電圧期間及び立ち下がり時間を有する駆動パルスで容量性負荷を駆動するための方法であって、
    電源とインダクタンスとの間の第１充電経路及び前記インダクタンスからの第１放電経路をイネーブル状態にして、前記電源から前記インダクタンスに通電すること、
    前記駆動パルスの立ち上がり時間中、前記第１充電経路及び前記第１放電経路をディスエーブル状態にして、第２充電経路を介して、前記インダクタンスから前記容量性負荷に電流を流すこと、
    前記駆動パルスの立ち上がり時間の終わりに前記第１放電経路をイネーブル状態にして、前記駆動パルスの前記所定の電圧期間中、前記インダクタンスから前記第１放電経路を通して電流を流すこと、
    前記駆動パルスの前記立ち下がり時間中、第２放電経路をイネーブル状態にし、前記容量性負荷を変圧器の一次側を介して放電して、前記変圧器の二次側に電圧を誘起し、該電圧を用いて前記インダクタンスに通電することを備える、方法。
  9. 請求項８に記載の方法であって、
    前記第１放電経路の前記電流を所定の設定電流値と比較し、前記第１充電経路を選択的にイネーブル状態及びディスエーブル状態にして、前記インダクタンスにおいて所定レベルの通電を維持することを備える、方法。
  10. 前記添付図面を参照して実質的に上述したように容量性負荷を駆動する方法。
  11. 請求項１乃至７のいずれか１つに記載のドライバ回路が含まれる印字ヘッド・ドライバ・システム。
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