JP2015134418A - 液体吐出装置、ヘッドユニットおよび液体吐出装置の制御方法 - Google Patents
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Abstract
Description
そこで、本発明のいくつかの態様の目的の一つは、エネルギー効率が高く、EMIの発生を抑え、消費電力を改善する液体吐出装置、ヘッドユニットおよび液体吐出装置の制御方法を提供することにある。
この構成では、第1補助電源が出力する2種以上の電圧の間隔を揃えることができる。第2補助電源が出力する3種以上の電圧についても間隔を揃えることができる。
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば液体吐出装置の制御方法や、ヘッドユニットの単体など、様々な態様で実現することができる。
この実施形態に係る印刷装置は、ホストコンピューターから供給された画像データに応じてインクを吐出することによって紙などの印刷媒体にインクドット群を形成し、これにより、当該画像データに応じた画像(文字、図形等を含む)を印刷するインクジェットプリンター、すなわち液体吐出装置である。
この図に示されるように、印刷装置1は、ホストコンピューターから供給された画像データに基づいて画像の印刷のための演算処理を実行する制御ユニット10と、複数のノズルを有するヘッドユニット20とを含んだ構成となっている。なお、制御ユニット10とヘッドユニット20とは、フレキシブルケーブル190を介して電気的に接続される。また、ヘッドユニット20は、印刷媒体の送り方向(副走査方向)に対してほぼ直交する方向(主走査方向)に移動可能なキャリッジ(図示省略)に搭載される。
主制御部120は、ホストコンピューターから取得した画像データに基づいて、画像展開処理や、色変換処理、インク色分版処理、ハーフトーン処理などの印刷のための演算処理を実行して、ヘッドユニット20のノズルからインクを吐出させるための複数種類の信号を生成する。複数種類の信号には、DAC160に供給されるデジタルの制御データdCOMや、後述するヘッド制御部220に供給される各種信号が含まれる。
なお、主制御部120が実行する印刷のための各演算処理の内容は、ホストコンピューターが実行する場合もある。この演算処理の内容は、印刷装置の技術分野において周知の事項であるため、説明を省略する。
また、印刷装置1としては、ヘッドユニット20を搭載したキャリッジを主走査方向に移動させるキャリッジモーターや、印刷媒体を副走査方向に搬送するための搬送モーターなどを含み、また、制御ユニット10としては、これらのモーターに駆動信号を供給する構成を含むが、同様に周知の事項であるため、説明を省略する。
主電源回路180は、制御ユニット10の各部やヘッドユニット20に電源電圧を供給し、特にヘッドユニット20に対して電源電圧としてVp、Gを供給する。
なお、G(グランド)は接地電位であり、この説明において特に説明のない限り、電圧ゼロの基準としている。また、電圧Vpは、実施形態においてグランドGに対し高位側としている。
選択部230は、ドライバー30および圧電素子40の複数組のそれぞれに対応したスイッチ232を有し、各スイッチ232の一端は互いに接続されて、制御信号COMが共通に供給される一方、他端は、それぞれに対応するドライバー30の入力端に接続される。各スイッチ232は、ヘッド制御部220による制御にしたがってオン/オフするとともに、オンしたときに制御信号COMをドライバー30に供給する一方、オフしたときに制御信号COMを遮断する。このため、選択部230は、制御ユニット10から供給される制御信号COMをヘッド制御部220にしたがって選択してドライバー30に供給することになる。
なお、説明の便宜上、制御信号COMのうち、ヘッド制御部220にしたがって選択されてドライバー30に供給される制御信号をVinと表記する。
圧電素子40の一端は、対応するドライバー30の出力端に接続される一方、圧電素子40の他端は、グランドGに共通接地されている。
図に示されるように、吐出部400は、圧電素子40と振動板421とキャビティ(圧力室)431とリザーバー441とノズル451とを含む。このうち、振動板421は、図において上面に設けられた圧電素子40によって変形(屈曲振動)して、インクが充填されるキャビティ431の内部容積を拡大/縮小させる。ノズル451は、ノズルプレート432に設けられるとともに、キャビティ431に連通する開口部である。
なお、圧電素子40は、ユニモルフ型に限らず、バイモルフ型や積層型など、圧電素子40を変形させてインクのような液体を吐出させることができる型であれば良い。また、圧電素子40は、屈曲振動に限られず、縦振動を用いる構成でも良い。
この図に示されるように、制御信号COMは、圧電素子40を駆動する信号の最小単位である波形(台形波形)パターンPCOM1からPCOM4までが印刷周期Taにおいて時系列的に連続した波形となっている。なお、制御信号COMは、実際には、当該印刷周期Taを1周期とした繰り返し波形である。
この印刷期間Taにおいて、最初の1番目の期間T1には波形パターンPCOM1が位置し、次の2番目の期間T2には波形パターンPCOM2が位置し、3番目の期間T3には波形パターンPCOM3が位置し、4番目の期間T4には波形パターンPCOM4が位置している。
なお、波形パターンPCOM1〜PCOM4は、各開始時および各終了時において電圧Vcとなっている。
端的にいえば、電圧の上昇に伴って圧電素子40の中心部分が両端部分に対して上方向に撓み、キャビティ431の内部容積を拡大させて、インクをキャビティ431に引き込む一方、電圧の下降に伴って圧電素子40の中心部分が下方向に撓み、キャビティ431の内部容積を縮小させて、インクをノズル451から吐出させる。
また、波形パターンPCOM4は、波形パターンPCOM2(PCOM3)とは異なる波形となっており、仮に波形パターンPCOM4が圧電素子40に供給されたとすれば、ノズルから上記所定量よりも少ない量のインクが吐出される波形である。
なお、波形パターンPCOM1は、ノズルの開口部付近のインクを微振動させてインクの粘度の増大を防止するための波形である。このため、仮に波形パターンPCOM1が圧電素子40に供給されても、ノズルからインク滴が吐出されない。
ヘッド制御部220は、主制御部120から供給された各種信号にしたがって、制御信号COMをドライバー30ごとに次のように選択して制御信号Vinとして供給する。
また、あるノズルに対応する印字データが(01)のとき、ヘッド制御部220は、当該ノズルに対応するスイッチ232を、期間T3、T4においてオンさせる。このため、制御信号COMのうち、波形パターンPCOM3、PCOM4が選択されて、圧電素子40が駆動されるので、当該ノズルからそれぞれに対応して中程度および小程度の量のインクが2回にわけて吐出される。したがって、印刷媒体上ではそれぞれのインクが着弾して合体する結果、中ドットが形成されることになる。
そして、あるノズルに対応する印字データが(00)であれば、ヘッド制御部220は、当該ノズルに対応するスイッチ232を期間T1においてのみオンさせる。このため、制御信号COMのうち、波形パターンPCOM1が選択されて、圧電素子40が駆動されるが、期間T1においてノズルの開口部付近のインクが微振動するのみである。したがって、インクは吐出されないので、印刷媒体上ではドットが形成されない、すなわち非記録となる。
このような印字データに応じて制御信号COMを選択して制御信号Vin(電圧Vout)として供給することによって、大ドット、中ドット、小ドットおよび非記録の4階調が表現される。
また、スイッチ232がオフであれば、選択部230の出力からドライバー30の入力までの制御信号Vinの供給経路がハイ・インピーダンスになるが、実際には、寄生容量等によって、期間T1〜T4の開始時および終了時における電圧Vcに保持される。
ここでは、圧電素子40が、電圧の上昇に伴って上方向に撓む例で説明するが、電極411、412に供給する電圧を逆転させると、圧電素子40は、電圧の上昇に伴って下方向に撓むことになる。このため、圧電素子40が、電圧の上昇に伴って下方向に撓む構成では、図に例示した制御信号COMを、電圧Vcを基準に反転した波形となる。
すなわち、期間T1〜T4の各々において、圧電素子40に供給される制御信号Vin(電圧Vout)は、制御信号COM(波形パターンPCOM1〜PCOM4)であるか、または、電圧Vcで一定であるかのいずれかとなっている。
ドライバー30に供給される制御信号Vinは、DAC160によって変換された駆動信号COMを、当該ドライバー30に対応するスイッチ232のオンによって抜き出し、スイッチ232のオフによって電圧Vcに置換した信号ということができる。このため、図4では、制御信号Vinは、主制御部120、DAC160を1つのブロックとした制御信号生成部15から出力される構成として表現されている。
なお、電圧は高い順に、
Vp>4Vp/5>3Vp/5>2Vp/5>Vp/5>G
である。
ただし、本実施形態では、電圧4Vp/5および電圧Vp/5を用いずに、電圧3Vp/5、2Vp/5と、電圧Vp、Gとを切替器535に供給する。
切替器535は、本実施形態では2極2投型のスイッチであり、高位側電圧セット(Vp、2Vp/5)または低位側電圧セット(3Vp/5、G)のいずれかを、電圧比較回路505の指示によって選択する。
ただし、電圧比較回路505は、制御信号COMの比較においてヒステリシス特性を有する。具体的には、閾値には、制御信号COMの電圧が上昇する際に用いられる閾値Vth-upと下降する際に用いられる閾値Vth-dnとがあり、閾値Vth-up、Vth-dnは、
(3Vp/5>)Vth-dn(>Vp/2)>Vth-dn(>2Vp/5)
という関係に設定されている。
なお、説明の便宜上、切替器535において選択される電圧セットのうち、高位側電圧が出力される端子をOut-Hと表記し、低位側電圧が出力される端子をOut-Lと表記している。
また、第1CP回路51、電圧比較回路505および切替器535の1ブロックによって、第2CP回路52に、高位側電圧セットと低位側電圧セットとを切り替えて出力するので、当該1ブロックを広義の第1CP回路と概念することが可能である。
なお、図4において括弧書で記載されているように、ドライバー30が接続経路選択部に相当する。
この図に示されるように、制御信号COMが取り得る電圧範囲は、電圧G(ゼロ)以上電圧Vp未満である。
上述したように、制御信号COMの電圧が上昇する過程において閾値Vth-up以上になったとき、電圧比較回路505は、切替器535に対して、電圧(V6−V0)として電圧(Vp−2Vp/5)に切り替える一方、制御信号COMの電圧が下降する過程において閾値Vth-up未満になったとき、電圧(V6−V0)として電圧(3Vp/5−G)に切り替える。このため、第2CP回路52が生成する電圧(V6−V0)は、制御信号COMの電圧に応じて、図5の右欄の(a)または(b)に示されるように切り替えられる。
換言すれば、スイッチの232のオンによって制御信号Vinが制御信号COMの波形パターンとなる場合、制御信号COMの電圧の変化に対し、ドライバー30に供給される電圧電圧(V6−V0)の範囲に制御信号Vinの電圧が含まれるように、比較回路505および切替器535による切り替えが実行される。
換言すれば、電圧Vcは、電圧(Vp−2Vp/5)と電圧(3Vp/5−G)との重複範囲に位置している。
第1区間では、切替器535における出力端子Out-Hが電圧Vpとなり、出力端子Out-Lが電圧2Vp/5となる。このため、第1CP回路51および第2CP回路52は、同図(a)に示されるような接続状態となる。
また、第2区間では、切替器535における出力端子Out-Hが電圧3Vp/5となり、出力端子Out-Lが電圧Gとなる。このため、第1CP回路51および第2CP回路52は、同図(b)に示されるような接続状態となる。
この図に示されるように、ドライバー30は、オペアンプ32と、単位回路34a〜34fと、コンパレーター38a〜38eとを含み、制御信号Vinにしたがって圧電素子40を駆動する構成となっている。
ドライバー30は、電圧V6〜V0を用いる。これらの7種類の電圧は、それぞれ配線510〜516を介して補助電源回路50(第2CP回路52)から供給される。
オペアンプ32の出力信号は、単位回路34a〜34fにそれぞれ供給されるとともに、抵抗Rfを介してオペアンプ32の入力端(−)に負帰還され、さらに抵抗Rinを介してグランドGに接地される。このため、オペアンプ32は、制御信号Vinを(1+Rf/Rin)倍に非反転増幅することになる。
オペアンプ32の電圧増幅率は、抵抗Rf、Rinによって設定することができるが、便宜上、以降においてはRfをゼロとし、Rinを無限大とする。すなわち、以降においては、オペアンプ32の電圧増幅率を「1」に設定して、制御信号Vinがそのまま単位回路34a〜34fに供給されるものとして説明する。なお、電圧増幅率が「1」以外であっても良いのはもちろんである。
単位回路34aは電圧V0および電圧V1に対応し、
単位回路34bは電圧V1および電圧V2に対応し、
単位回路34cは電圧V2および電圧V3に対応し、
単位回路34dは電圧V3および電圧V4に対応し、
単位回路34eは電圧V4および電圧V5に対応し、
単位回路34fは電圧V5および電圧V6に対応して設けられる。
なお、単位回路34a〜34fについて、特定せずに一般的に説明するときには、単に符号を「34」として説明し、同様に、レベルシフター36a〜36fについても、特定せずに一般的に説明するときには、単に符号を「36」として説明する。
ここで、ある単位回路34に着目したときに、当該単位回路34におけるレベルシフター36の負制御端には、当該単位回路34に対応する2つの電圧のうち、高位側の電圧に対応付けられたコンパレーターの出力信号が供給され、当該レベルシフター36の正制御端には、当該単位回路に対応する2つの電圧のうち、低位側の電圧に対応付けられたコンパレーターの出力信号が供給される。
ただし、単位回路34fにおけるレベルシフター36fの負制御端は電圧V0を供給する配線510に接続される一方、単位回路34aにおけるレベルシフター36aの正制御端は、電圧V6を供給する配線516に接続される。
なお、所定値としては、例えばエミッタ端子に電流が流れ始めるベース・エミッタ間の電圧(バイアス電圧、約0.6ボルト)としている。すなわち、ここでいう所定値は、トランジスター341、342の特性に応じて定められる性質ものであって、トランジスター341、342が理想的であればゼロである。
例えば、電圧V0および電圧V1に対応する単位回路34aでは、トランジスター341のコレクタ端子が電圧V1を供給する配線511に接続され、トランジスター342のコレクタ端子が電圧V0を供給する配線510に接続される。また例えば、電圧V1および電圧V2に対応する単位回路34bでは、トランジスター341のコレクタ端子が電圧V2を供給する配線512に接続され、トランジスター342のコレクタ端子が電圧V1を供給する配線511に接続される。なお、電圧V5および電圧V6に対応する単位回路34fでは、トランジスター341のコレクタ端子が電圧V6を供給する配線516に接続され、トランジスター342のコレクタ端子が電圧V5を供給する配線515に接続される。
なお、圧電素子40の一端の電圧をVoutとしている。
具体的には例えば、コンパレーター38aは、電圧Voutが電圧V1以上であればHレベルとし、電圧V1未満であればLレベルの信号を出力する。また例えば、コンパレーター38bは、電圧Voutが電圧V2以上であればHレベルとし、電圧V2未満であればLレベルの信号を出力する。
例えば、電圧V1に対応するコンパレーター38aの出力信号は、当該電圧V1を高位側電圧として対応付けられた単位回路34aのレベルシフター36aの負入力端と、当該電圧V1を低位側電圧として対応付けられた単位回路34bのレベルシフター36bの正入力端とにそれぞれ供給される。また例えば、電圧V2に対応するコンパレーター38bの出力信号は、当該電圧V2を高位側電圧として対応付けられた単位回路34bのレベルシフター36bの負入力端と、当該電圧V2を低位側電圧として対応付けられた単位回路34cのレベルシフター36cの正入力端とにそれぞれ供給される。
なお、ドライバー30に供給される電圧(V6−V0)は、制御信号COMに応じて高位側電圧セットまたは低位側電圧セットに切り替えられるが、ここでは、高位側電圧セットである場合を先に説明し、低位側電圧セットに切り替えが発生した場合の動作については後述することにする。
まず、電圧Voutが電圧V1未満である第1状態では、コンパレーター38a〜38fの出力信号はすべてLレベルとなる。このため、第1状態では、レベルシフター36aのみがイネーブル状態になり、他のレベルシフター36b〜36fはディセーブル状態になる。
電圧Voutが電圧V1以上電圧V2未満である第2状態では、コンパレーター38bの出力信号だけがHレベルとなり、他のコンパレーターの出力信号はLレベルとなる。したがって、第2状態では、レベルシフター36bのみがイネーブル状態になり、他のレベルシフター36a、36c〜36fはディセーブル状態になる。
したがって、第1状態において、単位回路34aのトランジスター341、342は、電圧Voutを制御信号Vinに一致させるような制御を実行することになる。
なお、本実施形態では、制御信号COMが閾値Vth-upを以上になったときに、電圧V6〜V0が高位側電圧セットに切り替えられ、制御信号COMが閾値Vth-dnを下回ったときに、電圧V6〜V0が低位側電圧セットに切り替えられる。
制御信号Vinが電圧V0から電圧V6まで上昇変化するとき、電圧Voutも制御信号Vinに追従して上昇する。この上昇の過程において、電圧Voutが電圧V1未満の第1状態のとき、レベルシフター36aがイネーブル状態になる。このため、同図の(a)で示されるように、レベルシフター36aによってトランジスター341のベース端子に供給される電圧(「P型」と表記)は、制御信号Vinをマイナス方向に所定値だけシフトさせた電圧となり、トランジスター342のベース端子に供給される電圧(N型と表記)は、制御信号Vinをプラス方向に所定値だけシフトさせた電圧となる。一方、第1状態以外のときに、レベルシフター36aがディセーブル状態になるので、トランジスター341のベース端子に供給される電圧はV6となり、トランジスター342のベース端子に供給される電圧はV0となる。
また、制御信号Vinの電圧(または電圧Vout)の上昇過程におけるレベルシフター36c〜36eの動作についての説明や、制御信号Vinの電圧(または電圧Vout)の下降過程におけるレベルシフター36a〜36fの動作の説明についても省略する。
第1状態では、レベルシフター36aがイネーブル状態になり、他のレベルシフター36b〜36fはディセーブル状態になるので、単位回路34aのみに着目すれば良い。
第1状態において制御信号Vinの電圧が電圧Voutよりも高いとき、単位回路34aのトランジスター341はベース・エミッタ間の電圧に応じた電流を流す。一方、単位回路34aのトランジスター342はオフである。
一方で、制御信号Vinが電圧V1以上に上昇する場合、電圧Voutも制御信号Vinに追従して電圧V1以上になるので、第1状態から第2状態(電圧Voutが電圧V1以上電圧V2未満の状態)に移行する。
第2状態では、レベルシフター36bがイネーブル状態になり、他のレベルシフター36a、36c〜36fはディセーブル状態になるので、単位回路34bのみに着目すれば良い。
第2状態において制御信号Vinが電圧Voutよりも高いとき、単位回路34bのトランジスター341はベース・エミッタ間の電圧に応じた電流を流す。一方、単位回路34bのトランジスター342はオフである。
このように、電圧Voutの上昇時において第1状態から第2状態に移行すると、電流の供給元が配線511から配線512に切り替わる。
一方で、制御信号Vinが電圧V2以上に上昇する場合、電圧Voutも制御信号Vinに追従するので、電圧V2以上になる結果、第2状態から第3状態(電圧Voutが電圧V2以上電圧V3未満の状態)に移行する。
なお、第3状態から第6状態までの充電動作については、ほぼ同様であるので、特に図示しないが、電流(電荷)の供給元が配線513、514、515、516に順次に切り替わる。
第2状態では、レベルシフター36bがイネーブル状態になる。この状態において、制御信号Vinが電圧Voutよりも低いとき、単位回路34bのトランジスター342はベース・エミッタ間の電圧に応じた電流を流す。一方、単位回路34bのトランジスター341はオフである。
一方で、制御信号Vinが電圧V1未満に低下する場合、電圧Voutも制御信号Vinに追従して、電圧V1未満になるので、第2状態から第1状態に移行する。
第1状態では、レベルシフター36aがイネーブル状態になる。この状態において、制御信号Vinが電圧Voutよりも低いとき、単位回路34aのトランジスター342はベース・エミッタ間の電圧に応じた電流を流す。
なお、このとき単位回路34aのトランジスター341はオフである。
第1状態において放電時では、電流が、図において矢印で示されるように、圧電素子40→(単位回路34aの)トランジスター342→配線510という経路で流れて、圧電素子40から電荷が放電される。
また、各状態における放電経路および充電経路において、圧電素子40の一端からトランジスター341、342におけるエミッタ端子同士の接続点までの経路は共用である。
図5の右欄(a)の高位側電圧セットに対応する電圧V6〜V0において、閾値Vth-dnは、電圧V0から電圧V0までの範囲に含まれる。このため、制御信号COMの電圧が閾値Vth-dnを下回る直前において、ドライバー30では、レベルシフター36aがイネーブル状態となる。一方、図5の右欄(b)の低位側電圧セットに対応する電圧V6〜V0において、閾値Vth-dnは、電圧V5から電圧V4までの範囲に含まれる。このため、制御信号COMの電圧が閾値Vth-dnを下回った直後において、ドライバー30では、レベルシフター36eがイネーブル状態となる。
したがって、高位側電圧セットから低位側電圧セットに切り替えられるときに、ドライバー30では、レベルシフター36aからレベルシフター36eにイネーブル状態が切り替わるので、電圧Voutの制御は、単位回路34aから単位回路34eに変更される。以降の動作は、電圧V6〜V0が高位側電圧セットである場合と同様である。
(b)の低位側電圧セットの電圧V6〜V0において、閾値Vth-upは、電圧V5から電圧V6までの範囲に含まれる。このため、制御信号COMの電圧が閾値Vth-up以上となる直前において、ドライバー30では、レベルシフター36fがイネーブル状態となる。一方、(a)の高位側電圧セットの電圧V6〜V0において、閾値Vth-upが電圧V1から電圧V2までの範囲に含まれる。このため、制御信号COMの電圧が閾値Vth-up以上となった直後において、ドライバー30では、レベルシフター36bがイネーブル状態となる。
したがって、低位側電圧セットから高位側電圧セットに切り替えられるときに、ドライバー30では、レベルシフター36fからレベルシフター36bにイネーブル状態が切り替わるので、電圧Voutの制御は、単位回路34fから単位回路34bに変更される。以降の動作は、すでに述べた通りである。
この図に示されるように、第1CP回路51は、スイッチSw3d、Sw3u、Sw4d、Sw4u、Sw5d、Sw5u、Sw6d、Sw6uと、容量素子C51、C52、C53、C54、C55、C1a、C2a、C3a、C4aとを含んだ構成となっている。
これらのうち、スイッチは、いずれも1極2投(単極双投)であり、共通端子を制御信号A/Bにしたがって端子a、bのいずれかに接続する。制御信号A/Bは、簡略化して説明すれば、例えばデューティ比が約50%のパルス信号であり、その周波数は、制御信号COMの周波数に対して例えば20倍程度に設定される。このような制御信号A/Bは、補助電源回路50における内部発振器(図示省略)により生成しても良いし、フレキシブルケーブル190を介して制御ユニット10から供給しても良い。容量素子C51、C1a、C2a、C3a、C4aは電荷移動用であり。容量素子C51、C52、C53、C54、C55はバックアップ用である。このため、容量素子C51は、電荷移動用とバックアップ用とを兼ねている。
上記スイッチは、実際には半導体集積回路においてトランジスターを組み合わせて構成され、容量素子は、当該半導体集積回路に対して外付けで実装される。なお、上記半導体集積回路には、上述した複数個のドライバー30も形成される構成が望ましい。
なお、例えばスイッチSw6u、Sw6d、容量素子C55、C4aを1段と考えると、第1CP回路51は、4段プラス容量素子C51の構成ということができる。
各スイッチは、制御信号A/Bによって共通端子が端子aに接続される状態(状態A)と、共通端子が端子bに接続される状態(状態B)との2状態をとる。同図の(a)は、第1CP回路50における状態Aの接続を、(b)は、状態Bの接続を、それぞれ等価回路で簡易的に示したものである。
状態Aでは、容量素子C4a、C3a、C2a、C1a、C51が電圧Vp、Gの間で直列に接続される。このため、状態Aを直列状態ということがある。一方、状態Bでは、容量素子C4a、C3a、C2a、C1a、C51の一端同士が共通接続される。このため、状態Bを並列状態ということがある。この状態Bでは、容量素子C4a、C3a、C2a、C1a、C51が互いに並列に接続されるので、保持電圧が均等化される。
また、電圧V1、V2、…のそれぞれを第1電圧、第2電圧、…としたときに、配線511、512、…のそれぞれが第1信号経路、第2信号経路、…に相当する。このため、図17または図18(a)の状態Aにおいて、電圧V1を保持する容量素子C61の一端が、第1接続点になり、電圧V2を保持する容量素子C62の一端が、第2接続点になる。
なお、本実施形態では、容量素子C54の一端である電圧4Vp/5と、容量素子C51の一端である電圧Vp/5とについては、使用しない構成としている。
この図に示されるように、第2CP回路52は、スイッチSw2d、Sw2u、Sw3d、Sw3u、Sw4d、Sw4u、Sw5d、Sw5u、Sw6d、Sw6uと、容量素子C61、C62、C63、C64、C65、C66、C1b、C2b、C3b、C4b、C5bとを含んだ構成となっている。
すなわち、第2CP回路52は、回路的には、第1CP回路51と比較して、段数が1段だけ増えた構成(5段プラス容量素子C61)という構成となっている。
状態Aでは、容量素子C5b、C4b、C3b、C2b、C1b、C61が切替器535の出力端子Out-H、Out-Lの間で直列に接続される一方、状態Bでは、容量素子C5b、C4b、C3b、C2b、C1b、C61が並列に接続される。
このため、図17におけるスイッチSw2d、Sw2u、Sw3d、Sw3u、Sw4d、Sw4u、Sw5d、Sw5u、Sw6d、Sw6uが、第2CP回路52における容量素子C5b、C4b、C3b、C2b、C1b、C61の直列接続と並列接続とを切り替える第2切替部として機能することになる。
一方、ドライバー30によって圧電素子40が放電されると、容量素子C61〜C665のうち保持電圧が上昇するものが現れるが、状態Aの直列接続で電荷が吐き出されるとともに、状態Bの並列接続による再配分で均等化される。
したがって、圧電素子40から放電された電荷は、第2CP回路52に回収されて、圧電素子40を充電するための電荷として再利用されるのである。
仮に、切替器535から第2CP回路52に供給される電圧セットの差が切り替えによって変化する構成であれば、切り替えによって第2CP回路52において電荷の移動が発生する。電荷の移動は、イコール回路素子で損失が発生することを意味するので、無駄に電力が消費されることになる。
本実施形態にように、切替器535から第2CP回路52に供給される電圧セットの差が切り替えによって変化しない構成であれば、切り替えによって第2CP回路52において電荷の移動が発生しないので、電荷の移動による無駄な電力消費が抑えられることになる。
なお、本実施形態では、切替器535から第2CP回路52に供給される電圧セットの差が切り替えによって変化させないために、第1CP回路51について、電源電圧(Vp、G)を等分割するとともに、等分割した電圧のなかから、高位側の電圧セットで用いる電圧と、低位側の電圧セットで用いる電圧とを選択した構成となっている。
P=(C・E2)/2
で表される。
圧電素子40は、このエネルギーPによって変形して仕事をするが、インクを吐出させる仕事量は、エネルギーPに対して1%以下である。したがって、圧電素子40は、単なる容量とみなすことができる。容量Cを一定の電源で充電すると、(C・E2)/2と同等のエネルギーが充電回路によって消費される。放電するときにも同等のエネルギーが放電回路によって消費される。
端的にいえば、電源電圧(Vp、G)を5分割して、高位側の3/5と低位側の3/5とで切り替える。当該3/5の電圧が第2CP回路52で6分割されるので、全体でみると、電源電圧(Vp、G)が10分割されることになる。本実施形態におけるドライバー30は、電圧Vpから電圧Gまでを10分割した電圧を用いて、圧電素子40を充放電させることになる。
さらに、本実施形態では、圧電素子40から放出された電荷は、第2CP回路52によって回収されて、充電時に再利用されるので、全体的な損失を極めて低く抑えることができるのである。
仮に、比較例その2として、第1CP回路51および切替器535が存在せず、第2CP回路52が電源電圧(Vp、G)を分割する構成を想定してみる。この比較例その2では、電圧Vpから電圧Gまでの範囲が、第2CP回路52で6分割されてドライバー30に供給される構成となる。このため、比較例その2において、ドライバー30は、電源電圧(Vp、G)を6分割した電圧を用いて、電圧Voutが制御信号Vinに追従するように圧電素子40を充放電させる。このとき、比較例その2における充電時の損失は、図21においてハッチングが付された領域aの面積の和に相当し、放電時の損失は同図においてハッチングが付された領域bの面積の和に相当するが、電圧分割数は、本実施形態の「10」と比較して少なく、損失の合計は、本実施形態と比較して多い。言い換えれば、この点において、本実施形態は、比較例その2に対して優位性を有する。
このため、重複する範囲を設けない場合、次のような不都合が想定される。すなわち、重複する範囲を設けない場合には、低位側電圧セットの高位側と高位側電圧セットの低位側とが共通の電圧(境目電圧)となるが、制御信号Vinが境目電圧を跨ぐことによって、低位側電圧セットまたは高位側電圧セットの一方から他方に切り替わる際に、トランジスター341、342において電流が流れ難い状態を経由するので、制御信号Vinに対する電圧Voutの追従性が低下する。
そこで、本実施形態では、予め重複範囲を持たせておき、電圧Vin(Vout)の上昇時または下降時には常に変化後の電圧範囲を含むように切り替えることよって、電圧Voutの追従性が低下してしまうのを避けているのである。
また、この重複範囲に、電圧Vcを位置させることによって、スイッチ232がオフであっても、制御信号COMの電圧とは無関係に、電圧Voutを電圧Vcに追従させることができるのは、上述した通りである。
この印刷装置1においては、補助電源回路50のうち、第1CP回路51だけ複数組のドライバー30および圧電素子40に共用され、切替器535および第2CP回路52が、複数組のドライバー30および圧電素子40に共用されない構成、換言すれば、1組のドライバー30および圧電素子40に、1組の切替器535および第2CP回路52が対応している構成として説明する。これに関連して、制御信号生成部15は、主制御部120、DAC160のみならず、選択部230(スイッチ232)を1つのブロックとして、制御信号Vinを出力すると考える。
この図において、第1CP回路51は、実施形態では用いられなかった電圧4Vp/5および電圧Vp/5についても出力する。また、切替器535は、2極4投型のスイッチであり、電圧(Vp、3Vp/5)の第1セット、電圧(4Vp/5、2Vp/5)の第2セット、電圧(3Vp/5、Vp/5)の第3セット、または、電圧(2Vp/5、G)の第4セットのいずれかを、電圧比較回路505の指示によって選択する。
なお、第1セットから第4セットまでの電圧のそれぞれは、電源電圧(Vp、G)の2/5に相当する電圧である。
図22における電圧比較回路505は、切替器535に対して、制御信号Vinの電圧が、電圧3Vp/5以上であれば、電圧(Vp、3Vp/5)の第1セットの選択を指示し、電圧2Vp/5以上電圧4Vp/5未満であれば、電圧(4Vp/5、2Vp/5)の第2セットの選択を指示し、電圧Vp/5以上電圧3Vp/5未満であれば、電圧(3Vp/5、Vp/5)の第3セットの選択を指示し、(電圧G以上)電圧3Vp/5未満であれば、電圧(2Vp/5、G)の第4セットの選択を指示する。
応用例(その1)において、第1区間では、切替器535における出力端子Out-Hが電圧Vpとなり、出力端子Out-Lが電圧3Vp/5となる。このため、第1CP回路51および第2CP回路52は、図24(a)に示されるような接続状態となる。
また、第2区間では、切替器535における出力端子Out-Hが電圧4Vp/5となり、出力端子Out-Lが電圧2Vp/5となる。このため、第1CP回路51および第2CP回路52は、図24(b)に示されるような接続状態となる。
第3区間では、切替器535における出力端子Out-Hが電圧3Vp/5となり、出力端子Out-Lが電圧Vp/5となる。このため、第1CP回路51および第2CP回路52は、図25(c)に示されるような接続状態となる。
第4区間では、切替器535における出力端子Out-Hが電圧2Vp/5となり、出力端子Out-Lが電圧Gとなる。このため、第1CP回路51および第2CP回路52は、図25(d)に示されるような接続状態となる。
なお、この図では、第1セットの電圧が選択される時間的な期間を第1区間とし、同様に第2〜第4セットの電圧が選択される時間的な期間を第2〜第4区間としている。
この応用例(その1)によれば、電圧分割数が「10」から「15」に高められるので、さらに低消費電力化が図られる。
ただし、次のような制約を伴う。すなわち、切替器535および第2CP回路52が、複数組のドライバー30および圧電素子40に対応する構成では、複数のドライバー30に対して同じ電圧セットが供給されるので、複数の圧電素子40に対して互いに独立して充放電させることができない。もっとも、複数の駆動信号COMを用意しておき、第2CP回路52を共用するドライバー30に対して同じ駆動信号を用いるという制約下であれば、切替器および第2CP回路52を、複数組のドライバー30および圧電素子40に対応させた構成が可能である。
この印刷装置1については、応用例(その1)と同様に、1組のドライバー30および圧電素子40に、1組の切替器535および第2CP回路52が対応し、制御信号生成部15が、主制御部120、DAC160、選択部230(スイッチ232)を1つのブロックとして、制御信号Vinを出力する構成である。
第1CP回路51についても、応用例(その1)と同様に、実施形態では用いられなかった電圧4Vp/5および電圧Vp/5についても出力する。
なお、第1セットから第5セットまでの電圧のそれぞれは、電源電圧(Vp、G)の1/5に相当する電圧である。
また、第2CP回路52の変更に伴い、ドライバー30における単位回路34の個数も「6」から「4」に削減される。なお、4段に削減されたドライバー30の詳細については、図7から類推できるので、省略している。
この応用例(その2)では、端的にいえば、第1セットから第5セットまでの各1/5の電圧を、1/3ステップずつ重複させながら、制御信号Vinの電圧に応じて切り替える。当該1/5の電圧は4/3倍されて4分割されるが、1/3が重複しているので、全体でみると、応用例(その1)と同様に、電源電圧(Vp、G)が15分割されることになる(図27参照)。
図26における電圧比較回路505は、切替器535に対して、制御信号Vinの電圧が、電圧4Vp/5以上(電圧Vp未満)であれば、電圧(Vp、4Vp/5)の第1セットの選択を指示し、電圧3Vp/5以上電圧4Vp/5未満であれば、電圧(4Vp/5、3Vp/5)の第2セットの選択を指示し、電圧2Vp/5以上電圧3Vp/5未満であれば、電圧(3Vp/5、2Vp/5)の第3セットの選択を指示し、電圧Vp/5以上電圧2Vp/5未満であれば、電圧(2Vp/5、Vp/5)の第4セットの選択を指示し、電圧G以上)電圧Vp/5未満であれば、電圧(Vp/5、G)の第5セットの選択を指示する。
応用例(その2)において、第1区間では、切替器535における出力端子Out-Hが電圧Vpとなり、出力端子Out-Lが電圧4Vp/5となる。このため、第1CP回路51および第2CP回路52は、図28(a)に示されるような接続状態となる。
また、第2区間では、切替器535における出力端子Out-Hが電圧4Vp/5となり、出力端子Out-Lが電圧3Vp/5となる。このため、第1CP回路51および第2CP回路52は、図28(b)に示されるような接続状態となる。
第3区間では、切替器535における出力端子Out-Hが電圧3Vp/5となり、出力端子Out-Lが電圧2Vp/5となる。このため、第1CP回路51および第2CP回路52は、図29(c)に示されるような接続状態となる。
第4区間では、切替器535における出力端子Out-Hが電圧2Vp/5となり、出力端子Out-Lが電圧Vp/5となる。このため、第1CP回路51および第2CP回路52は、図29(d)に示されるような接続状態となる。
第5区間では、切替器535における出力端子Out-Hが電圧Vp/5となり、出力端子Out-Lが電圧Gとなる。このため、第1CP回路51および第2CP回路52は、図30(e)に示されるような接続状態となる。
そこで、応用例(その2)における第2CP回路52について確認的に説明する。
この図に示されるように、第2CP回路52は、スイッチSw2d、Sw2u、Sw3d、Sw3u、Sw4d、Sw4uと、容量素子C41、C42、C43、C44、C1c、C2c、C3cとを含み、端子Out-H、Out-Lの電圧を、3分割して保持するための2段分と、端子Out-Hの電圧よりも、高位側にシフトさせて保持するための1段分との計3段の構成となっている。
状態Aでは、容量素子C3c、C2c、C1c、C41が切替器535の出力端子Out-H、Out-Lの間で直列に接続される一方、状態Bでは、容量素子C3c、C2c、C1c、C41が並列に接続される。
状態A、Bが交互に繰り返されると、状態Bのときに均等化された電圧が、状態Aの直列接続によって1〜4倍されて、それぞれ容量素子C41〜C44に保持される。そして、これらの保持電圧が、電圧V1〜V4としてドライバー30に供給される。
なお、この図では、第1セットの電圧が選択される時間的な期間を第1区間とし、同様に第2〜第5セットの電圧が選択される時間的な期間を第2〜第5区間としている。
この応用例(その2)によれば、応用例(その1)と同様に、電圧分割数が「10」から「15」に高められるので、実施形態と比較して、低消費電力化が図られる。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、例えば次に述べるような各種の応用・変形が可能である。なお、次に述べる応用・変形の態様は、任意に選択された一または複数を適宜に組み合わせることもできる。
上述したように、ドライバー30では、制御信号Vinの電圧の上昇時において電圧Voutが電圧V6に近い場合や、電圧Vinの下降時において電圧Voutが電圧V0に近い場合、トランジスター341、342において電流が流れ難い状態になる。また、これらの場合のみならず、ドライバー30では、電圧Voutが電圧V1、V2、V3、V4、V5、に近い場合にも同様に、トランジスター341、342において電流が流れ難い状態になる。
そこで、この状態を改善した応用例(その3)について説明する。
ここで、コンパレーターの符号38の直後の第1番目の符号a〜eは、それがaであれば電圧V1に、b〜eであれば、V2、V3、V4、V5に関連していることを示している。例えばコンパレーター38ad、38auのペアは電圧V1に関連し、また例えばコンパレーター38bd、38buのペアは電圧V2に関連していることを示している。
さらに、コンパレーターのペアのそれぞれは、関連した電圧よりもαだけ低位の下側閾値電圧に対応しているものと、αだけ高位の高側閾値電圧に対応しているものとである。すなわち、コンパレーターの符号38の第2番目の符号d、uは、それがdであれば下側閾値電圧に対応していることを示し、uであれば高側閾値電圧に対応していることを示している。
なお、レベルシフターについて、特定せずに一般的に説明するときには、符号を省略して説明することにする。各コンパレーターは、入力端における他端の電圧Voutが一端の閾値電圧以上であればHレベルとし、電圧Voutが一端の閾値電圧未満であればLレベルとした信号を出力する。具体的には例えばコンパレーター38adは、電圧Voutが閾値電圧(V1−α)以上であればHレベルとし、閾値電圧(V1−α)未満であればLレベルとした信号を出力する。また例えば、コンパレーター38buは、電圧Voutが電圧(V26+α)以上であればHレベルとし、電圧(V2+α)未満であればLレベルとした信号を出力する。
また、この場合に、制御信号Vinが電圧Voutを下回っていれば、圧電素子40の一端から、単位回路34aのトランジスター342が配線510に電流を流すとともに、単位回路34bのトランジスター341が配線511に電流を流すことになる。
図において(a)は、トランジスター341がオンする領域について、制御信号Vinが電圧(Vout−β)より低くなる領域に設定するとともに、トランジスター342がオンする領域について、制御信号Vinが電圧(Vout+β)よりも高くなる領域に設定した場合の例である。この例では、電圧Voutを制御信号Vinに追従させる制御によって、制御信号Vinの電圧と電圧Voutとの差がβ以内になれば、トランジスター341、342がともにオフする。このため、電圧V1〜電圧V5を供給される配線間に貫通電流が流れる状態が避けられるので、消費電力の観点からいえば有利である。
一方で、トランジスター341、342のオフによって電流制御できない領域(不感帯)が発生するので、制御信号Vinに対する電圧Voutの追従性が低下する。ただし、配線511〜515の電圧を跨ぐときに2つのトランジスターがオンするので、電圧Voutにおける段差の発生は抑えられる。
なお、同図の(a)において、電圧Voutが閾値電圧(V1−α)以上閾値電圧(V1+α)未満の状態であって、かつ、制御信号Vinが電圧(Vout−β)よりも低ければ、単位回路34aのトランジスター341と単位回路34bのトランジスター341とが重複してオンし、制御信号Vinが電圧(Vout+β)よりも低ければ、単位回路34aのトランジスター342と単位回路34bのトランジスター342とが重複してオンすることなる。
なお、同図の(b)において、電圧Voutが閾値電圧(V1−α)以上閾値電圧(V1+α)未満の状態であって、かつ、制御信号Vinの電圧と電圧Voutとの差がβ以内の状態では、単位回路34aのトランジスター341、342と単位回路34bのトランジスター341、342との計4つが重複してオンすることなる。
図34の(a)、(b)のいずれに設定するかについては、消費電力や、電圧Voutの追従性、スムーズな切り替えなどを総合的に勘案して選択するのが好ましいといえる。
実施形態では、ドライバー30の駆動対象としてインクを吐出する圧電素子40を例にとって説明した。本発明では、駆動対象として圧電素子40に限られず、例えば超音波モーターや、タッチパネル、静電スピーカー、液晶パネルなどの容量性成分を有する負荷のすべてに適用可能である。
実施形態において、6種類の電圧のうち、互いに隣り合う2つの電圧に対応するように電圧の低い順に単位回路34a〜34fの6段を設けた構成であったが、本発明では、単位回路34の個数は、応用例(その2)で示したように、これに限られず、2個以上であれば良い。なお、単位回路34の個数が増えるにつれて充放電時の損失は低減する一方、構成は複雑化する。
また、単位回路34におけるトランジスター341、342はバイポーラ型に限られず、それぞれMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)としても良い。
Claims (8)
- 駆動信号の電圧に応じて変位する圧電素子と、
液体が充填されるとともに、前記圧電素子の変位によって内部容積が増減するキャビティと、
前記キャビティに連通し、前記キャビティの内部容積の増減によって、前記液体を吐出可能なノズルと、
前記圧電素子に電荷を供給する電荷供給源と、
前記電荷供給源により第1電圧が印加された第1信号経路と、
前記電荷供給源により前記第1電圧よりも高い第2電圧が印加された第2信号経路と、
前記駆動信号の電圧を制御する制御信号の電圧と前記圧電素子の保持電圧とに応じて、前記第1信号経路または前記第2信号経路を用いて前記圧電素子と前記電荷供給源とを電気的に接続する接続経路選択部と、
を含み、
前記電荷供給源は、
2種類以上の電圧を出力する第1補助電源と、
前記第1補助電源から出力される2種類以上の電圧を用いて、前記圧電素子に印加するための3種類以上の電圧を出力する第2補助電源と、
を含むことを特徴とする液体吐出装置。 - 前記第1補助電源は、
m(mは複数)個の容量素子と、
前記m個の容量素子が電気的に直列に接続された直列状態と、前記m個の容量素子が電気的に並列に接続された並列状態と、を切り替える第1切替部と、
を含み、
前記第2補助電源は、
n(nは複数)個の容量素子と、
前記n個の容量素子が電気的に直列に接続された直列状態と、前記n個の容量素子が電気的に並列に接続された並列状態と、を切り替える第2切替部と、
を含む
ことを特徴とする請求項1に記載の液体吐出装置。 - 前記第2補助電源では、
前記直列状態において、前記n個の容量素子同士の接続地点のうち、いずれかの第1地点が前記第1信号経路に接続され、前記n個の容量素子の接続地点のうち、前記第1地点よりも高位の第2地点が前記第2信号経路に接続される
ことを特徴とする請求項2に記載の液体吐出装置。 - 前記第1補助電源は、
前記第2補助電源に、
高位側をA電圧とする高位側電圧セットと、
高位側を前記第A電圧よりも低いB電圧とする低位側電圧セットとを、少なくとも供給する
ことを特徴する請求項2または3に記載の液体吐出装置。 - 前記第1補助電源は、
前記第2補助電源に、
前記駆動信号の電圧が第1駆動電圧である場合には、前記高位側電圧セットを供給し、
前記駆動信号の電圧が前記第1駆動電圧よりも低い第2駆動電圧である場合には、前記低位側電圧セットを供給する
ことを特徴する請求項4記載の液体吐出装置。 - 前記駆動信号の電圧が前記第1駆動電圧よりも低く、かつ、前記第2駆動電圧よりも高い、第3駆動電圧は、
前記高位側電圧セットの電圧範囲と前記低位側電圧セットの電圧範囲との双方に含まれる
ことを特徴する請求項5記載の液体吐出装置。 - 駆動信号の電圧に応じて変位する圧電素子と、
液体が充填されるとともに、前記圧電素子の変位によって内部容積が増減するキャビティと、
前記キャビティに連通し、前記キャビティの内部容積の増減によって、前記液体を吐出可能なノズルと、
前記圧電素子に電荷を供給する電荷供給源と、
前記電荷供給源により第1電圧が印加された第1信号経路と、
前記電荷供給源により前記第1電圧よりも高い第2電圧が印加された第2信号経路と、
前記駆動信号の電圧を制御する制御信号の電圧と前記圧電素子の保持電圧とに応じて、前記第1信号経路または前記第2信号経路を用いて前記圧電素子と前記電荷供給源とを電気的に接続する接続経路選択部と、
を含み、
前記電荷供給源は、
2種類以上の電圧を出力する第1補助電源と、
前記第1補助電源から出力される2種類以上の電圧を用いて、前記圧電素子に印加するための3種類以上の電圧を出力する第2補助電源と、
を含むことを特徴とするヘッドユニット。 - 駆動信号の電圧に応じて変位する圧電素子と、
液体が充填されるとともに、前記圧電素子の変位によって内部容積が増減するキャビティと、
前記キャビティに連通し、前記キャビティの内部容積の増減によって、前記液体を吐出可能なノズルと、
前記圧電素子に電荷を供給する電荷供給源と、
前記電荷供給源により第1電圧が印加された第1信号経路と、
前記電荷供給源により前記第1電圧よりも高い第2電圧が印加された第2信号経路と、
を含み、
前記電荷供給源は、
2種類以上の電圧を出力する第1補助電源と、
前記第1補助電源から出力される2種類以上の電圧を用いて、前記圧電素子に印加するための3種類以上の電圧を出力する第2補助電源と、
を含む液体吐出装置の制御方法であって、
前記駆動信号の電圧を制御する制御信号の電圧と前記圧電素子の保持電圧とに応じて、前記第1信号経路または前記第2信号経路を用いて前記圧電素子と前記電荷供給源とを電気的に接続する
ことを特徴とする液体吐出装置の制御方法。
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