JP2015212045A - 液体吐出装置および液体吐出装置の制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】液体吐出装置において、エネルギー効率を高め、消費電力を改善する。【解決手段】一端に駆動信号が印加されて、一端および他端の電圧に応じて変位する圧電素子40と、液体が充填されるとともに、圧電素子40の変位によって内部容積が増減するキャビティ431と、キャビティ431に連通し、キャビティの内部容積の増減によって、液体を吐出可能なノズル451と、電圧V4の配線514と、電圧V4よりも高い電圧V5の配線515と、電圧V5よりも高い電圧VHの配線517と、ドライバー30とを含む。ドライバー30は、元駆動信号の電圧Vinと圧電素子40の保持電圧とに応じて、圧電素子40の一端を、配線514、515、517に、電気的に接続する。電圧V4から電圧V5までの電圧差は、電圧V5から電圧VHまでの電圧差よりも小さい。【選択図】図5
Description
本発明は、液体吐出装置および液体吐出装置の制御方法に関する。
インクを吐出して画像や文書を印刷するインクジェットプリンターには、圧電素子(例えばピエゾ素子)を用いたものが知られている。圧電素子は、ヘッドユニット(印刷ヘッド)において複数のノズルのそれぞれに対応して設けられ、それぞれが駆動信号にしたがって駆動されることによって、ノズルから所定のタイミングで所定量のインク(液体)が吐出される。圧電素子は、電気的にみればキャパシターのような容量性負荷であり、各ノズルの圧電素子を動作させるためには十分な電流を供給する必要がある。
このため、従来では駆動信号を生成する際の元となる元駆動信号を増幅回路で増幅し、増幅された駆動信号をヘッドユニットに供給して、圧電素子を駆動する構成となっている。増幅回路としては、元駆動信号をAB級などで電流増幅する方式(リニア増幅方式、特許文献1参照)や、元駆動信号をパルス幅変調やパルス密度変調などした後、ローパスフィルターで復調する方式(D級増幅方式、特許文献2参照)などが挙げられる。また、元駆動信号を増幅回路で増幅する構成以外にも、圧電素子に印加する電圧を複数段階で切り替える方式(電圧切替方式、特許文献3参照)も提案されている。
しかしながら、リニア増幅方式では消費電力が大きく、エネルギー効率が悪い。D級増幅方式では、リニア増幅方式と比較してエネルギー効率が高いものの、大電流を高い周波数でスイッチングするので、EMI(Electro Magnetic Interference:電波障害)が発生する、という問題がある。また、上述した電圧切替方式では、ある程度の省電力化が図られるものの、未だ改善の余地がある。
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および液体吐出装置の制御方法を提供することにある。
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および液体吐出装置の制御方法を提供することにある。
上記目的の一つを達成するために、本発明の一態様に係る液体吐出装置は、一端に駆動信号が印加されて、一端および他端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、第0電位の第0配線と、前記第0電位よりも高い第1電位の第1配線と、前記第1電位よりも高い第2電位の第2配線と、前記駆動信号の電圧を制御する元駆動信号の電圧と前記圧電素子の保持電圧とに応じて、前記圧電素子の一端を、前記第0配線、前記第1配線または前記第2配線に、電気的に接続する接続経路選択部と、を含み、前記第0電位から前記第1電位までの第1電位差と、前記第1電位から前記第2電位までの第2電位差と、は異なることを特徴とする。
上記一態様において、圧電素子の充放電は、第0電位から第1電位までの領域(電圧ステップ)と、第1電位から第2電位までの領域とで、切り替えられながら実行される。この充放電については、段階的に進行するので、一気に行う従来構成と比較してエネルギー効率を高くすることができる。また、D級増幅のように大電流をスイッチングしないので、EMIの発生を抑えることができる。
また、圧電素子は、上述したように電気的にみればキャパシターのような容量性負荷であるが、そのキャパシタンスは、印加電圧によって変化する電圧依存性を有する場合がある。この場合、圧電素子において、印加電圧が高い領域では、キャパシタンスが小さくなるのに対して、印加電圧が低い領域では、キャパシタンスが大きくなる。このため、圧電素子における印加電圧の変化が同じでも、印加電圧が高い領域では、印加電圧が低い領域よりも消費電力が小さい。キャパシタンスが小さくなる電圧領域における電圧ステップは、キャパシタンスが大きくなる電圧領域における電圧ステップよりも広ければ、消費電力を改善することができる。
また、圧電素子は、上述したように電気的にみればキャパシターのような容量性負荷であるが、そのキャパシタンスは、印加電圧によって変化する電圧依存性を有する場合がある。この場合、圧電素子において、印加電圧が高い領域では、キャパシタンスが小さくなるのに対して、印加電圧が低い領域では、キャパシタンスが大きくなる。このため、圧電素子における印加電圧の変化が同じでも、印加電圧が高い領域では、印加電圧が低い領域よりも消費電力が小さい。キャパシタンスが小さくなる電圧領域における電圧ステップは、キャパシタンスが大きくなる電圧領域における電圧ステップよりも広ければ、消費電力を改善することができる。
上記一態様において、前記第1電位差よりも前記第2電位差の方が大きい構成としても良い。圧電素子として一般的なピエゾ素子では、印加電圧が高くなるにつれて、キャパシタンスが低下する。このため、キャパシタンスが小さくなる高電圧領域における電圧ステップが、キャパシタンスが大きくなる低電圧領域における電圧ステップよりも広ければ、消費電力を改善することができる。
上記一態様において、前記駆動信号の電位が前記第0電位以上前記第1電位未満までの第1範囲に滞在する時間が、前記第1電位以上前記第2電位未満までの第2範囲に滞在する時間よりも長い場合、前記第1電位差よりも前記第2電位差の方が大きく、前記駆動信号の電位が前記第1範囲に滞在する時間が、前記第2範囲に滞在する時間よりも短い場合、前記第1電位差よりも前記第2電位差の方が小さい構成としても良い。
ここで、駆動信号の電位が第1範囲に滞在する時間が第2範囲に滞在する時間よりも長いということは、駆動信号の平均的な電位(電圧)が低く、逆に、駆動信号の電位が第1範囲に滞在する時間が第2範囲に滞在する時間よりも短いということは、駆動信号の平均的な電位(電圧)が高いことを意味する。したがって、上記構成のように、滞在時間が長い方の電圧ステップが広ければ、消費電力を改善することができる。
ここで、駆動信号の電位が第1範囲に滞在する時間が第2範囲に滞在する時間よりも長いということは、駆動信号の平均的な電位(電圧)が低く、逆に、駆動信号の電位が第1範囲に滞在する時間が第2範囲に滞在する時間よりも短いということは、駆動信号の平均的な電位(電圧)が高いことを意味する。したがって、上記構成のように、滞在時間が長い方の電圧ステップが広ければ、消費電力を改善することができる。
また、上記一態様において、第p電位の第p配線と、前記第p電位よりも高い第(p+1)電位の第(p+1)配線と、第q電位の第q配線と、前記第p電位よりも高い第(q+1)電位の第(q+1)配線と、とを有し、前記接続経路選択部は、前記駆動信号の電圧を制御する元駆動信号の電圧と前記圧電素子の保持電圧とに応じて、前記圧電素子の一端を、前記第p配線、前記第(p+1)配線、前記第q配線または前記第(q+1)配線に電気的に接続し、所定の非吐出待機電位が、前記第n電位以上前記第(n+1)電位未満であるとき、前記第p電位から前記第(p+1)電位までの第p電位差は、前記第q電位から前記第(q+1)電位までの第q電位差よりも小さい構成としても良い。非吐出待機電位が第n電位以上第(n+1)電位未満であるとき、駆動信号は当該電位の範囲で電圧変化が発生する頻度が高くなる、と予想される。したがって、上記構成のように、非吐出待機電位を含む方の電圧ステップが、非吐出待機電位を含まない方の電圧ステップよりも狭ければ、消費電力を改善することができる。
なお、ここでいう非吐出待機電位とは、駆動信号の波形が繰り返しパターンである場合に、当該波形の開始端および終了端の電位をいい、後述する電圧Vcに相当する電位である。
なお、ここでいう非吐出待機電位とは、駆動信号の波形が繰り返しパターンである場合に、当該波形の開始端および終了端の電位をいい、後述する電圧Vcに相当する電位である。
上記一態様において、前記元駆動信号の電圧波形が変更されたとき、少なくとも前記第1電位差または前記第2電位差の一方が変化する構成としても良い。この構成によれば、圧電素子に印加される駆動信号の元となる元駆動信号の電圧波形が変更されると、少なくとも一方の電圧ステップが元駆動信号の電圧波形に合わせて変化させることで、消費電力を改善することができる。
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。
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。
以下、図面を参照して本発明を実施するための形態について説明する。
この実施形態に係る印刷装置は、外部の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させることによって、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。
図1は、印刷装置の内部の概略構成を示す斜視図である。
この図に示されるように、印刷装置1は、移動体2を、主走査方向に移動(往復動)させる移動機構7を備える。
移動機構7は、移動体2の駆動源となるキャリッジモーター71と、両端が固定されたキャリッジガイド軸72と、キャリッジガイド軸72とほぼ平行に延在し、キャリッジモーター71により駆動されるタイミングベルト73と、を有している。
移動体2のキャリッジ24は、キャリッジガイド軸72に往復動自在に支持されるとともに、タイミングベルト73の一部に固定されている。そのため、キャリッジモーター71によりタイミングベルト73を正逆走行させると、移動体2がキャリッジガイド軸72に案内されて往復動する。
また、移動体2のうち、印刷媒体Pと対向する部分にはヘッドユニット20が設けられる。このヘッドユニット20は、後述するように、多数のノズルからインク滴(液滴)を吐出させるためのものであり、フレキシブルケーブル190を介して各種の制御信号等が供給される構成となっている。
この図に示されるように、印刷装置1は、移動体2を、主走査方向に移動(往復動)させる移動機構7を備える。
移動機構7は、移動体2の駆動源となるキャリッジモーター71と、両端が固定されたキャリッジガイド軸72と、キャリッジガイド軸72とほぼ平行に延在し、キャリッジモーター71により駆動されるタイミングベルト73と、を有している。
移動体2のキャリッジ24は、キャリッジガイド軸72に往復動自在に支持されるとともに、タイミングベルト73の一部に固定されている。そのため、キャリッジモーター71によりタイミングベルト73を正逆走行させると、移動体2がキャリッジガイド軸72に案内されて往復動する。
また、移動体2のうち、印刷媒体Pと対向する部分にはヘッドユニット20が設けられる。このヘッドユニット20は、後述するように、多数のノズルからインク滴(液滴)を吐出させるためのものであり、フレキシブルケーブル190を介して各種の制御信号等が供給される構成となっている。
印刷装置1は、印刷媒体Pを、副走査方向にプラテン80上で搬送させる搬送機構8を備える。搬送機構8は、駆動源である搬送モーター81と、搬送モーター81により回転して、印刷媒体Pを副走査方向に搬送する搬送ローラー82と、を備える。
印刷媒体Pが搬送機構8によって搬送されたタイミングで、ヘッドユニット20が当該印刷媒体Pにインク滴を吐出することによって、印刷媒体Pの表面に画像が形成される。
印刷媒体Pが搬送機構8によって搬送されたタイミングで、ヘッドユニット20が当該印刷媒体Pにインク滴を吐出することによって、印刷媒体Pの表面に画像が形成される。
図2は、印刷装置1の電気的な構成を示すブロック図である。
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P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2に搭載される。
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P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2に搭載される。
制御ユニット10は、主制御部120と、DAC(Digital to Analog Converter)160、主電源回路180とを含む。
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。
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。
DAC160は、制御データdCOMをアナログの元駆動信号COMに変換してヘッドユニット20に供給する。
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VH、Gを供給する。
なお、電圧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、電圧ゼロである。また、電圧VHは、実施形態において電圧Gに対し高位側としている。
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VH、Gを供給する。
なお、電圧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、電圧ゼロである。また、電圧VHは、実施形態において電圧Gに対し高位側としている。
ヘッドユニット20には、特に図示しないが、1色または複数色のインクがインク容器から流路を介して供給される。ヘッドユニット20は、補助電源回路50、ヘッド制御部220および選択部230のほか、ドライバー30と圧電素子(ピエゾ素子)40との複数組を含む。
補助電源回路50は、主電源回路180による電源電圧VH、Gを用いて各種電圧を生成し、複数のドライバー30にわたって共通に給電する。なお、補助電源回路50の詳細な構成については詳述する。
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選択部230の選択を制御するものである。
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、元駆動信号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、オンしたときに元駆動信号COMをドライバー30に供給する一方、オフしたときに元駆動信号COMを遮断する。このため、選択部230は、制御ユニット10から供給される元駆動信号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、元駆動信号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に供給される元駆動信号をVinと表記する。
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、元駆動信号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、オンしたときに元駆動信号COMをドライバー30に供給する一方、オフしたときに元駆動信号COMを遮断する。このため、選択部230は、制御ユニット10から供給される元駆動信号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、元駆動信号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に供給される元駆動信号をVinと表記する。
ドライバー30は、補助電源回路50から供給される各種電圧を用い、選択部230から供給される元駆動信号Vinにしたがった電圧Voutの駆動信号を出力して圧電素子40を駆動する。
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、電圧VBSが共通に印加されている。
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、電圧VBSが共通に印加されている。
上述したように圧電素子40は、ヘッドユニット20における複数のノズルのそれぞれに対応して設けられて、その駆動によってインクを吐出させる。そこで次に、圧電素子40への駆動によってインクを吐出させる吐出部の構成について簡単に説明する。
図3は、ヘッドユニット20において、ノズル1個分に対応した吐出部400の概略構成を示す図である。
この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によって変位(屈曲振動)し、インクが充填されるキャビティ431の内部容積を拡大/縮小させるダイヤフラムとして機能する。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に連通する開孔部である。
この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によって変位(屈曲振動)し、インクが充填されるキャビティ431の内部容積を拡大/縮小させるダイヤフラムとして機能する。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に連通する開孔部である。
この図で示される圧電素子40は、圧電体401を一対の電極411、412で挟んだ構造である。この構造の圧電体401にあっては、電極411、412により印加された電圧に応じて、電極411、412、振動板421とともに図において中央部分が両端部分に対して上下方向に撓む。具体的には、圧電素子40は、駆動信号の電圧Voutが高くなると、例えば上方向に撓む一方、電圧Voutが低くなると、下方向に撓む構成となっている。この構成において、上方向に撓めば、キャビティ431の内部容積が拡大するので、インクがリザーバー441から引き込まれる一方、下方向に撓めば、キャビティ431の内部容積が縮小するので、縮小の程度によっては、インクがノズル451から吐出される。
なお、図示した構造に限られず、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。
また、圧電素子40は、ヘッドユニット20においてキャビティ431とノズル451とに対応して設けられ、当該圧電素子40は、図2におけるスイッチ232にも対応して設けられる。このため、圧電素子40、キャビティ431、ノズル451、スイッチ232およびドライバー30のセットは、ノズル451毎に設けられることになる。
また、圧電素子40は、ヘッドユニット20においてキャビティ431とノズル451とに対応して設けられ、当該圧電素子40は、図2におけるスイッチ232にも対応して設けられる。このため、圧電素子40、キャビティ431、ノズル451、スイッチ232およびドライバー30のセットは、ノズル451毎に設けられることになる。
図4は、ヘッドユニット20に供給される元駆動信号COM等の一例を示す図である。
この図に示されるように、元駆動信号COMは、圧電素子40を駆動する信号の最小単位である台形波形(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、元駆動信号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には台形波形PCOM1が位置し、次の2番目の期間T2には台形波形PCOM2が位置し、3番目の期間T3には台形波形PCOM3が位置し、4番目の期間T4には台形波形PCOM4が位置している。
この図に示されるように、元駆動信号COMは、圧電素子40を駆動する信号の最小単位である台形波形(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、元駆動信号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には台形波形PCOM1が位置し、次の2番目の期間T2には台形波形PCOM2が位置し、3番目の期間T3には台形波形PCOM3が位置し、4番目の期間T4には台形波形PCOM4が位置している。
なお、台形波形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。
本実施形態において台形波形PCOM2、PCOM3とは、互いにほぼ同一であり、仮にそれぞれが圧電素子40に供給されたとすれば、ノズル451から所定量の、例えば中程度の量のインクがそれぞれ吐出させる波形である。
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、台形波形PCOM4は、台形波形PCOM2(PCOM3)とは異なる波形となっており、仮に台形波形PCOM4が圧電素子40に供給されたとすれば、ノズル451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、台形波形PCOM1は、ノズル451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、仮に台形波形PCOM1が圧電素子40に供給されても、ノズル451からインク滴が吐出されない。
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、台形波形PCOM4は、台形波形PCOM2(PCOM3)とは異なる波形となっており、仮に台形波形PCOM4が圧電素子40に供給されたとすれば、ノズル451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、台形波形PCOM1は、ノズル451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、仮に台形波形PCOM1が圧電素子40に供給されても、ノズル451からインク滴が吐出されない。
一方、主制御部120から供給される各種信号には、ノズル451から吐出させるインク量(階調)を画素毎に規定する2ビットの印刷データや、印刷周期Taの開始タイミングを規定するパルス、期間T2、T3、T4の開始タイミングを規定するパルスなどが供給される。
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、元駆動信号COMをドライバー30ごとに次のように選択して、元駆動信号Vinとして供給する。
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、元駆動信号COMをドライバー30ごとに次のように選択して、元駆動信号Vinとして供給する。
図4は、2ビットの印刷データに対して、元駆動信号COMが、ヘッド制御部220および選択部230によってどのように選択されて元駆動信号Vinとして供給されるかについて示している。
あるノズル451に対応する印刷データが例えば(11)のとき、ヘッド制御部220は、当該ノズル451に対応するスイッチ232を、期間T2、T3においてオンさせる。このため、元駆動信号COMのうち、台形波形PCOM2、PCOM3が選択されて、元駆動信号Vinとなる。後述するようにドライバー30は、元駆動信号Vinの電圧に追従するように電圧Voutの駆動信号を出力して当該ノズル451に対応する圧電素子40を駆動する。このため、当該ノズル451からそれぞれに対応した中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ので、結果的に大ドットが形成されることになる。
また、あるノズル451に対応する印刷データが(01)のとき、ヘッド制御部220は、当該ノズル451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、元駆動信号COMのうち、台形波形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451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ので、結果的に中ドットが形成されることになる。
また、あるノズル451に対応する印刷データが(01)のとき、ヘッド制御部220は、当該ノズル451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、元駆動信号COMのうち、台形波形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451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ので、結果的に中ドットが形成されることになる。
一方、あるノズル451に対応する印刷データが(10)のとき、ヘッド制御部220は、当該ノズル451に対応するスイッチ232を、期間T4においてのみオンさせる。このため、元駆動信号COMのうち、台形波形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451から小程度の量のインクが1回だけ吐出される。したがって、印刷媒体上では小ドットが形成される。
そして、あるノズル451に対応する印刷データが(00)であれば、ヘッド制御部220は、当該ノズル451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、元駆動信号COMのうち、台形波形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451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。
このような印刷データに応じて元駆動信号COMを選択して元駆動信号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。
そして、あるノズル451に対応する印刷データが(00)であれば、ヘッド制御部220は、当該ノズル451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、元駆動信号COMのうち、台形波形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451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。
このような印刷データに応じて元駆動信号COMを選択して元駆動信号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。
なお、このような選択動作は、ノズル451毎に同時並行的において実行される。さらに、図4に示した波形等は、あくまでも一例である。実際には、キャリッジの移動速度や印刷媒体の性質などに応じて、予め用意された様々な波形の組み合わせが用いられる。
ところで、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の入力までの元駆動信号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。このため、期間T1〜T4の各々において、圧電素子40に供給される元駆動信号Vin(電圧Vout)は、元駆動信号COM(台形波形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。
このため、電圧Vcは、台形波形PCOM1〜PCOM4における開始時および終了時の電圧であると同時に、台形波形PCOM2〜PCOM4が選択されない場合の待機電圧の意味を有する。
なお、この電圧Vcは、上述した波形の変更等によって変化する場合があるが、実施形態の説明では、固定的であると考えて良い。
このため、電圧Vcは、台形波形PCOM1〜PCOM4における開始時および終了時の電圧であると同時に、台形波形PCOM2〜PCOM4が選択されない場合の待機電圧の意味を有する。
なお、この電圧Vcは、上述した波形の変更等によって変化する場合があるが、実施形態の説明では、固定的であると考えて良い。
また、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、図に例示した元駆動信号COMを、電圧Vcを基準に反転した波形となる。
図5は、印刷装置1において1組のドライバー30および圧電素子40に着目したときの要部構成を示すブロック図である。
ドライバー30に供給される元駆動信号Vinは、DAC160によって変換された元駆動信号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す一方、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、元駆動信号Vinは、主制御部120、DAC160および選択部230を、図5において1つのブロックとした元駆動信号生成部15から出力される構成として表現されている。
ドライバー30に供給される元駆動信号Vinは、DAC160によって変換された元駆動信号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す一方、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、元駆動信号Vinは、主制御部120、DAC160および選択部230を、図5において1つのブロックとした元駆動信号生成部15から出力される構成として表現されている。
補助電源回路50は、主電源回路180から供給される電源電圧VH、Gから、高い順に電圧V5、V4、V3、V2、V1を生成して出力する。本実施形態において、電圧V5〜V1は、電圧VHに対してそれぞれ
V5=5VH/7、
V4=4VH/7、
V3=3VH/7、
V2=2VH/7、
V1=1VH/7、
という関係にある。
電圧V1〜V5は、順に配線511〜515を介して複数のドライバー30に供給される。また、電圧VH、Gは、配線517、510を介して複数のドライバー30に供給される。なお、本実施形態において、6VH/7という電圧は、ドライバー30で用いられない。
V5=5VH/7、
V4=4VH/7、
V3=3VH/7、
V2=2VH/7、
V1=1VH/7、
という関係にある。
電圧V1〜V5は、順に配線511〜515を介して複数のドライバー30に供給される。また、電圧VH、Gは、配線517、510を介して複数のドライバー30に供給される。なお、本実施形態において、6VH/7という電圧は、ドライバー30で用いられない。
圧電素子40は、ヘッドユニット20における複数のノズル451の各々に対応して設けられるとともに、各々が組の相手であるドライバー30によって駆動される。すなわち、圧電素子40は、ドライバー30から出力される駆動信号(電圧Vout)によって駆動される構成となっている。
図6は、1個の圧電素子40を駆動するドライバー30の構成の一例を示す図である。
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、元駆動信号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。
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、元駆動信号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の入力端であるオペアンプ32の入力端(+)には、選択部230(スイッチ232)で選択された元駆動信号Vinが供給される。
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を介して電圧Gに接地される。このため、オペアンプ32は、元駆動信号Vinを(1+Rf/Rin)倍に非反転増幅することになる。
なお、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、元駆動信号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。
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を介して電圧Gに接地される。このため、オペアンプ32は、元駆動信号Vinを(1+Rf/Rin)倍に非反転増幅することになる。
なお、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、元駆動信号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〜34fは、上記7種類の電圧VH、V5〜V1、Gのうち、互いに隣り合う2つの電圧に対応して電圧の低い順に設けられる。詳細には、
単位回路34aは電圧G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VHに対応して設けられる。
単位回路34aは電圧G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VHに対応して設けられる。
単位回路34a〜34fの回路構成は互いに同じであり、レベルシフター36a〜36fのいずれか対応するもの1つと、Nチャネル型のMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)351と、Pチャネル型のMOSFET352とを含む。
なお、MOSFETについては、以降、トランジスターと表記することにする。また、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。
なお、MOSFETについては、以降、トランジスターと表記することにする。また、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。
レベルシフター36は、イネーブル(enable)状態とディセーブル(disable)状態とのいずれかの状態をとる。詳細には、レベルシフター36は、丸印が付された負制御端に供給される信号がLレベルであって、かつ、丸印が付されていない正制御端に供給される信号がHレベルであるとき、イネーブル状態になり、それ以外のときは、ディセーブル状態となる。
後述するように上記7種類の電圧のうち、中間の5種類の電圧V1〜V5には、コンパレーター38a〜38eのそれぞれが一対一に対応付けられる。
ここで、ある単位回路34に着目したとき、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G(Lレベル)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VH(Hレベル)を供給する配線517に接続される。
ここで、ある単位回路34に着目したとき、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G(Lレベル)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VH(Hレベル)を供給する配線517に接続される。
また、レベルシフター36は、イネーブル状態では、元駆動信号Vinの電圧をプラス方向に所定値だけシフトさせてトランジスター351のゲート電極に供給するとともに、元駆動信号Vinの電圧をマイナス方向に所定値だけシフトさせてトランジスター352のゲート電極に供給する。
また、レベルシフター36は、ディセーブル状態では、元駆動信号Vinにかかわらず、トランジスター351をオフさせる電圧、例えば電圧Gを当該トランジスター351のゲート電極に供給するとともに、トランジスター352をオフさせる電圧、例えば電圧VHを当該トランジスター352のゲート電極に供給する。
なお、所定値としては、例えばソース電極からドレイン電極に電流が流れ始めるゲート・ソース間の電圧(閾値電圧)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351、352の特性に応じて定められる性質ものである。
また、レベルシフター36は、ディセーブル状態では、元駆動信号Vinにかかわらず、トランジスター351をオフさせる電圧、例えば電圧Gを当該トランジスター351のゲート電極に供給するとともに、トランジスター352をオフさせる電圧、例えば電圧VHを当該トランジスター352のゲート電極に供給する。
なお、所定値としては、例えばソース電極からドレイン電極に電流が流れ始めるゲート・ソース間の電圧(閾値電圧)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351、352の特性に応じて定められる性質ものである。
トランジスター351のドレイン電極には、対応する2電圧のうち、高位側電圧が供給され、トランジスター352のドレイン電極には、低位側電圧が供給される。
例えば、電圧G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351のドレイン電極が、電圧V1の配線511に接続され、トランジスター352のドレイン電極が電圧Gの配線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351のドレイン電極が電圧V2の配線512に接続され、トランジスター352のドレイン電極が電圧V1の配線511に接続される。なお、電圧V5および電圧VHに対応する単位回路34fでは、トランジスター351のドレイン電極が電圧VHの配線517に接続され、トランジスター352のドレイン電極が電圧V5の配線515に接続される。
例えば、電圧G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351のドレイン電極が、電圧V1の配線511に接続され、トランジスター352のドレイン電極が電圧Gの配線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351のドレイン電極が電圧V2の配線512に接続され、トランジスター352のドレイン電極が電圧V1の配線511に接続される。なお、電圧V5および電圧VHに対応する単位回路34fでは、トランジスター351のドレイン電極が電圧VHの配線517に接続され、トランジスター352のドレイン電極が電圧V5の配線515に接続される。
また、単位回路34a〜34fにおいて、各トランジスター351のソース電極は、それぞれダイオードD1を介して圧電素子40の一端に共通接続される。また、圧電素子40の一端は、単位回路34a〜34fにおける各トランジスター352のソース電極に、それぞれダイオードD2を介して接続される。すなわち、単位回路34a〜34fにおけるダイオードD1のカソード端子およびダイオードD2のアノード端子の共通接続点が、ドライバー30の出力端として圧電素子40の一端に接続される。
圧電素子40の一端の電圧、すなわち駆動信号の電圧をVoutと表記している。
圧電素子40の一端の電圧、すなわち駆動信号の電圧をVoutと表記している。
コンパレーター38a〜38eは、5種類の電圧V1〜V6に、それぞれ一対一に対応しており、2つの入力端に供給された電圧同士の高低を比較して、その比較結果を示す信号を出力する。ここで、コンパレーター38a〜38eにおける2つの入力端のうち、一端には、自身に対応する電圧が供給され、他端は、ドライバー30の出力端、すなわち圧電素子40の一端に接続される。例えば電圧V1に対応するコンパレーター38aでは、2つの入力端のうち、一端に、自身に対応する電圧V1が供給され、また例えば電圧V2に対応するコンパレーター38bでは、2つの入力端のうち、一端に、自身に対応する電圧V2が供給される。
コンパレーター38a〜38eのそれぞれは、入力端における他端の電圧Voutが一端の電圧以上であればHレベル(電圧VH)とし、電圧Voutが一端の電圧未満であればLレベル(電圧G)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。
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。
5種類の電圧のうち、1つの電圧に着目したとき、当該着目した電圧に対応するコンパレーターの出力信号は、当該電圧を高位側電圧とする単位回路のレベルシフター36の負入力端と、当該電圧を低位側電圧とする単位回路のレベルシフター36の正入力端とにそれぞれ供給される点について上述した通りである。
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。
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。
次に、ドライバー30の動作について説明する。
まず、圧電素子40における一端の電圧Voutに対して、レベルシフター36a〜36fがどのような状態になるのかについて検討する。
まず、圧電素子40における一端の電圧Voutに対して、レベルシフター36a〜36fがどのような状態になるのかについて検討する。
まず、電圧Voutが電圧G以上電圧V1未満である状態を便宜的に第1状態とすると、当該第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未満である状態を第2状態とすると、当該第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。
電圧Voutが電圧V1以上電圧V2未満である状態を第2状態とすると、当該第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。
以降については、電圧Voutが、電圧V2以上電圧V3未満の第3状態では、レベルシフター36cのみがイネーブル状態になり、電圧V3以上電圧V4未満の第4状態では、レベルシフター36dのみがイネーブル状態になり、電圧V4以上電圧V5未満の第5状態では、レベルシフター36eのみがイネーブル状態になり、電圧V5以上電圧VH未満の第6状態では、レベルシフター36fのみがイネーブル状態になる。
さて、第1状態においてレベルシフター36aがイネーブル状態のとき、当該レベルシフター36aは、元駆動信号Vinをプラス方向に所定値だけレベルシフトした電圧信号を単位回路34aにおけるトランジスター351のゲート電極に供給するとともに、元駆動信号Vinをマイナス方向に所定値だけレベルシフトした電圧信号を当該単位回路34aにおけるトランジスター352のゲート電極に供給する。
ここで、元駆動信号Vinの電圧が電圧Voutよりも高いとき、その差(ゲート・ソース間の電圧から所定値だけ高めた電圧)に応じた電流が、当該単位回路34aにおけるトランジスター351のドレイン電極からソース電極に流れる。このため、電圧Voutが徐々に上昇して元駆動信号Vinの電圧に近づき、やがて電圧Voutが元駆動信号Vinの電圧に一致すると、その時点でトランジスター351に流れていた電流がゼロになる。
ここで、元駆動信号Vinの電圧が電圧Voutよりも高いとき、その差(ゲート・ソース間の電圧から所定値だけ高めた電圧)に応じた電流が、当該単位回路34aにおけるトランジスター351のドレイン電極からソース電極に流れる。このため、電圧Voutが徐々に上昇して元駆動信号Vinの電圧に近づき、やがて電圧Voutが元駆動信号Vinの電圧に一致すると、その時点でトランジスター351に流れていた電流がゼロになる。
一方、元駆動信号Vinの電圧が電圧Voutよりも低いとき、その差に応じた電流が、当該単位回路34aにおけるトランジスター352のソース電極からドレイン電極に流れる。このため、電圧Voutが徐々に低下して元駆動信号Vinの電圧に近づき、やがて電圧Voutが元駆動信号Vinの電圧に一致すると、その時点でトランジスター352に流れる電流がゼロになる。
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351、352は、電圧Voutを元駆動信号Vinに一致させるような制御を実行することになる。
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351、352は、電圧Voutを元駆動信号Vinに一致させるような制御を実行することになる。
なお、第1状態において、単位回路34a以外の単位回路34b〜34fでは、レベルシフター36がディセーブル状態となるので、トランジスター351のゲート電極には電圧VHが印加され、トランジスター352のゲート電極には電圧Gが印加される。このため、第1状態において、単位回路34b〜34fでは、トランジスター351、352がオフする(非導通状態になる)ので、電圧Voutの制御には関与しないことになる。
また、ここでは、第1状態であるときについて説明しているが、第2状態〜第6状態についても同様な動作となる。詳細には、圧電素子40で保持された電圧Voutに応じて、単位回路34a〜34fのいずれかが有効になるとともに、有効になった単位回路34のトランジスター351、352が電圧Voutを元駆動信号Vinに一致させるように制御する。このため、ドライバー30の全体としてみたとき、電圧Voutが、元駆動信号Vinの電圧に追従する動作となる。
したがって、図7の(a)に示されるように、元駆動信号Vinが例えば電圧Gから電圧VHまで上昇するとき、電圧Voutも元駆動信号Vinに追従して電圧Gから電圧VHまで変化する。また、同図の(b)に示されるように、元駆動信号Vinが電圧VHから電圧Gまで低下するとき、電圧Voutも元駆動信号Vinに追従して電圧VHから電圧Gまで変化する。
図8は、レベルシフターの動作について確認的に説明するための図である。
元駆動信号Vinが電圧Gから電圧VHまで上昇変化するとき、電圧Voutも元駆動信号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351のゲート電極に供給される電圧(「N型」と表記)は、元駆動信号Vinをプラス方向に所定値だけシフトさせた電圧となり、トランジスター352のゲート電極に供給される電圧(P型と表記)は、元駆動信号Vinをマイナス方向に所定値だけシフトさせた電圧となる。一方、第1状態以外のとき、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351のゲート電極に供給される電圧はGとなり、トランジスター352のゲート電極に供給される電圧はVHとなる。
元駆動信号Vinが電圧Gから電圧VHまで上昇変化するとき、電圧Voutも元駆動信号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351のゲート電極に供給される電圧(「N型」と表記)は、元駆動信号Vinをプラス方向に所定値だけシフトさせた電圧となり、トランジスター352のゲート電極に供給される電圧(P型と表記)は、元駆動信号Vinをマイナス方向に所定値だけシフトさせた電圧となる。一方、第1状態以外のとき、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351のゲート電極に供給される電圧はGとなり、トランジスター352のゲート電極に供給される電圧はVHとなる。
なお、同図の(b)は、レベルシフター36bが出力する電圧波形を示し、同図の(c)は、レベルシフター36fが出力する電圧波形を示す。レベルシフター36bは、電圧Voutが電圧V1以上電圧V2未満の第2状態のときにイネーブル状態になり、レベルシフター36fは、電圧Voutが電圧V5以上電圧VH未満の第6状態のときにイネーブル状態になる点を考えれば、特段の説明は要しないであろう。
また、元駆動信号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、元駆動信号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。
また、元駆動信号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、元駆動信号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。
次に、単位回路34a〜34fにおける電流(電荷)の流れについて、単位回路34a、34bを例にとって、圧電素子40の充電と放電とにわけてそれぞれに説明する。
図9は、第1状態(電圧Voutが電圧V1未満の状態)のとき、圧電素子40が充電されるときの動作を示す図である。
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状態において元駆動信号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351はゲート・ソース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352はオフである。
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状態において元駆動信号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351はゲート・ソース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352はオフである。
第1状態において充電時では、電流が、図において矢印で示されるように配線511→(単位回路34aの)トランジスター351→圧電素子40という経路で流れて、圧電素子40に電荷が充電される。この充電により電圧Voutが上昇する。やがて、電圧Voutが元駆動信号Vinの電圧に近づき、一致すると、単位回路34aのトランジスター351がオフするので、圧電素子40への充電が停止する。
一方で、元駆動信号Vinが電圧V1以上に上昇する場合、電圧Voutも元駆動信号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。
一方で、元駆動信号Vinが電圧V1以上に上昇する場合、電圧Voutも元駆動信号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。
図10は、第2状態において圧電素子40が充電されるときの動作を示す図である。
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状態において元駆動信号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351はゲート・ソース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352はオフである。
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状態において元駆動信号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351はゲート・ソース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352はオフである。
第2状態において充電時では、電流が、図において矢印で示されるように、配線512→(単位回路34bの)トランジスター351→圧電素子40という経路で流れて、圧電素子40に電荷が充電される。第2状態において圧電素子40が充電される場合、圧電素子40の一端は、補助電源回路50に対して配線512を介して電気的に接続されることになる。
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。
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。
やがて、電圧Voutが元駆動信号Vinに近づき、一致すると、単位回路34bのトランジスター351がオフするので、圧電素子40への充電が停止する。
一方で、元駆動信号Vinが電圧V2以上に上昇する場合、電圧Voutも元駆動信号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、517に順次に切り替わる。
一方で、元駆動信号Vinが電圧V2以上に上昇する場合、電圧Voutも元駆動信号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、517に順次に切り替わる。
図11は、第2状態のとき、圧電素子40が放電するときの動作を示す図である。
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、元駆動信号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352はゲート・ソース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351はオフである。
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、元駆動信号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352はゲート・ソース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351はオフである。
第2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34bの)トランジスター352→配線511という経路で流れて、圧電素子40から電荷が放電される。このように、第1状態において圧電素子40に電荷が充電される場合、および、第2状態において圧電素子40から電荷が放電される場合、圧電素子40の一端は、補助電源回路50に対して配線511を介して電気的に接続される。また、配線511は、第1状態の充電時では電流(電荷)を供給し、第2状態の放電時では電流(電荷)を回収することになる。回収された電荷は、補助電源回路50によって後述するように再分配、再利用されることなる。
やがて、電圧Voutが元駆動信号Vinに近づき、一致すると、単位回路34bのトランジスター352がオフするので、圧電素子40の放電が停止する。
一方で、元駆動信号Vinが電圧V1未満に低下する場合、電圧Voutも元駆動信号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。
一方で、元駆動信号Vinが電圧V1未満に低下する場合、電圧Voutも元駆動信号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。
図12は、第1状態のとき、圧電素子40が放電するときの動作を示す図である。
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、元駆動信号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352はゲート・ソース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351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352→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。
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、元駆動信号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352はゲート・ソース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351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352→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。
なお、ここでは、単位回路34a、34bを例にとって、充電時と放電時とにわけて説明したが、単位回路34c〜34fについて、電流を制御するトランジスター351、352が異なる点を除けば、ほぼ同様な動作となる。
このように本実施形態では、元駆動信号Vinの電圧に追従するように駆動信号の電圧Voutを制御する。
なお、図9乃至12において、単位回路34a、34bのダイオードD1、D2については図示を省略している。
このように本実施形態では、元駆動信号Vinの電圧に追従するように駆動信号の電圧Voutを制御する。
なお、図9乃至12において、単位回路34a、34bのダイオードD1、D2については図示を省略している。
次に、補助電源回路50について説明する。
図13は、補助電源回路50の構成の一例を示す図である。
この図に示されるように、補助電源回路50は、スイッチSw6u、Sw6d、Sw5u、Sw5d、Sw4u、Sw4d、Sw3u、Sw3d、Sw2u、Sw2d、Sw1u、Sw1dと、容量素子C7、C6、C5、C4、C3、C2、C1、C67、C56、C45、C34、C23、C12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、共通端子を端子a、bのいずれかに制御信号A/Bにしたがって接続する。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、元駆動信号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C67、C56、C45、C34、C23、C12、C1は電荷移動用であり。容量素子C7、C6、C5、C4、C3、C2、C1はバックアップ用である。容量素子C1は、電荷移動用とバックアップ用とを兼ねている。
なお、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。また、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。
この図に示されるように、補助電源回路50は、スイッチSw6u、Sw6d、Sw5u、Sw5d、Sw4u、Sw4d、Sw3u、Sw3d、Sw2u、Sw2d、Sw1u、Sw1dと、容量素子C7、C6、C5、C4、C3、C2、C1、C67、C56、C45、C34、C23、C12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、共通端子を端子a、bのいずれかに制御信号A/Bにしたがって接続する。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、元駆動信号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C67、C56、C45、C34、C23、C12、C1は電荷移動用であり。容量素子C7、C6、C5、C4、C3、C2、C1はバックアップ用である。容量素子C1は、電荷移動用とバックアップ用とを兼ねている。
なお、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。また、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。
さて、補助電源回路50において、電圧VHが印加された配線517は、容量素子C7の一端とスイッチSw6uの端子aとに接続される。スイッチSw6uの共通端子は容量素子C67の一端に接続され、容量素子C67の他端はスイッチSw6dの共通端子に接続される。スイッチSw6dの端子aは、容量素子C6の一端とスイッチSw5uの端子aとに接続される。スイッチSw5uの共通端子は容量素子C56の一端に接続され、容量素子C56の他端はスイッチSw5dの共通端子に接続される。スイッチSw5dの端子aは、容量素子C5の一端とスイッチSw4uの端子aとに接続される。スイッチSw4uの共通端子は容量素子C45の一端に接続され、容量素子C45の他端はスイッチSw4dの共通端子に接続される。スイッチSw4dの端子aは、容量素子C4の一端とスイッチSw3uの端子aとに接続される。スイッチSw3uの共通端子は容量素子C34の一端に接続され、容量素子C34の他端はスイッチSw3dの共通端子に接続される。スイッチSw3dの端子aは、容量素子C3の一端とスイッチSw2uの端子aとに接続される。スイッチSw2uの共通端子は容量素子C23の一端に接続され、容量素子C23の他端はスイッチSw2dの共通端子に接続される。スイッチSw2dの端子aは、容量素子C2の一端とスイッチSw1uの端子aとに接続される。スイッチSw1uの共通端子は容量素子C12の一端に接続され、容量素子C12の他端はスイッチSw1dの共通端子に接続される。スイッチSw1dの端子aは、容量素子C1の一端と、スイッチSw6u、Sw5u、Sw4u、Sw3u、Sw2u、Sw1uの各端子bとに接続される。容量素子C7、C6、C5、C4、C4、C2、C1の各他端と、スイッチSw6d、Sw5d、Sw4d、Sw3d、Sw2d、Sw1dの各端子bとは、電圧Gに共通接地される。
図14は、補助電源回路50におけるスイッチの接続状態を示す図である。
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、補助電源回路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C67、C56、C45、C34、C23、C12、C1が電圧VH、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。容量素子C67、C56、C45、C34、C23、C12、C1におけるキャパシタンスが互いに等しければ、直列状態において、各容量素子の保持電圧はそれぞれVH/7となる。
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、補助電源回路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C67、C56、C45、C34、C23、C12、C1が電圧VH、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。容量素子C67、C56、C45、C34、C23、C12、C1におけるキャパシタンスが互いに等しければ、直列状態において、各容量素子の保持電圧はそれぞれVH/7となる。
一方、状態Bでは、容量素子C67、C56、C45、C34、C23、C12、C1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C67、C56、C45、C34、C23、C12、C1が互いに並列に接続されるので、保持電圧VH/7に均等化される。
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VH/7が、状態Aの直列接続によって1〜7倍され、それぞれ容量素子C1〜C7に保持される。
なお、本実施形態では、容量素子C6の保持電圧はドライバー30に出力されず、容量素子C7、C5〜C1の一端が、配線517、515〜511に接続されて、ドライバー30に、電圧VH、V5〜V1として出力される構成となっている。
なお、本実施形態では、容量素子C6の保持電圧はドライバー30に出力されず、容量素子C7、C5〜C1の一端が、配線517、515〜511に接続されて、ドライバー30に、電圧VH、V5〜V1として出力される構成となっている。
このような補助回路50において、ドライバー30によって圧電素子40が充電されると、容量素子C7、C5、C4、C3、C2、C1のうち、保持電圧が低下するものが現れるが、保持電圧が低下した容量素子には、状態Aの直列接続によって主電源回路180(図1参照)から電荷が補給されるとともに、状態Bの並列接続による再配分で均等化される。
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C7、C5、C4、C3、C2、C1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、補助電源回路50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。
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C7、C5、C4、C3、C2、C1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、補助電源回路50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。
一般に、圧電素子40のような容量性負荷のキャパシタンスをCとし、電圧振幅をEとしたとき、容量性負荷に蓄えられるエネルギーPは、
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、単なるキャパシターとみなすことができる。キャパシター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。
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、単なるキャパシターとみなすことができる。キャパシター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。
ここで、元駆動信号Vinが電圧VHから電圧Gまでの範囲で変化する場合に、電圧分割しないで、圧電素子40を充放電させる構成(比較例その1)を想定してみる。この比較例その1では、充電時の損失は、図15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の面積に相当する。
比較例その1では、充電時の損失および放電時の損失は、いずれも大きい。
比較例その1では、充電時の損失および放電時の損失は、いずれも大きい。
上述したように本実施形態では、電圧VHから電圧Gまでの範囲を7つにほぼ等分割しているが、このうちの6VH/7という電圧以外の6つの電圧を用いた構成となっている。
本実施形態において、このような構成を採用した理由を説明するために、比較のために、電圧VHから電圧Gまでの範囲を6つにほぼ等分割した構成(比較例その2)を想定してみる。
本実施形態において、このような構成を採用した理由を説明するために、比較のために、電圧VHから電圧Gまでの範囲を6つにほぼ等分割した構成(比較例その2)を想定してみる。
この比較例その2は、実施形態における電圧V5〜V1として、
V5=5VH/6、
V4=4VH/6、
V3=3VH/6、
V2=2VH/6、
V1=1VH/6、
という関係にある電圧を、順に配線511〜515を介して複数のドライバー30に供給した構成といえる。
V5=5VH/6、
V4=4VH/6、
V3=3VH/6、
V2=2VH/6、
V1=1VH/6、
という関係にある電圧を、順に配線511〜515を介して複数のドライバー30に供給した構成といえる。
比較例その2では、電源電圧(VH、G)を6分割した電圧を用いて、圧電素子40を段階的に充放電させる。このため、充電時の損失および放電時の損失を、低く抑えることができる。詳細には、本実施形態における充電時の損失は、図16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ので、比較例その1に対して充放電時の損失を低く抑えることができる。
また、比較例その2では、圧電素子40から放電された電荷は、補助電源回路50によって回収されるとともに、容量素子を充電させるときに再利用されるので、全体的な損失を、さらに低く抑えることができる。
また、比較例その2では、圧電素子40から放電された電荷は、補助電源回路50によって回収されるとともに、容量素子を充電させるときに再利用されるので、全体的な損失を、さらに低く抑えることができる。
ところで、圧電素子40は、電気的にみればキャパシターのような容量性負荷であるが、そのキャパシタンスは、印加電圧によって変化する、という電圧依存性を有する。詳細には、例えば図17に示されるように、圧電素子40に対する印加電圧が高い領域(高電圧域)では、当該圧電素子40のキャパシタンスが小さくなるのに対して、印加電圧が低い領域(低電圧域)では、キャパシタンスが倍以上大きくなる。これにより、圧電素子40における電圧の変化率が同じでも、印加電圧が高い領域では、印加電圧が低い領域よりも、当該圧電素子40に流れる電流が小さく、消費電力も小さくなる。
したがって、電源電圧を等分割した比較例その2では、圧電素子40への駆動信号の電圧Voutが例えば電圧ステップのVH/6だけ変化したときに消費される電力が、高電圧域と低電圧域とでは異なり、高電圧域の方が低電圧域よりも小さくなる、換言すれば、低電圧域の方が高電圧域よりも大きくなる。このため、比較例その2では、低電圧域での損失が支配的となり、電圧VH、V5〜V1、Gを用いて駆動信号を圧電素子40に供給するドライバー30において、改善の余地がある、といえる。
なお、ここでいう電圧ステップとは、互いに電位が隣り合う配線511〜515、517の電圧差を指している。
なお、ここでいう電圧ステップとは、互いに電位が隣り合う配線511〜515、517の電圧差を指している。
本実施形態では、電源電圧(VH、G)を7分割するとともに、6VH/7を不使用として、高電圧域における電圧VHと電圧V5との間隔である電圧ステップが、相対的に低電圧域となる電圧V5〜V1、Gにおける電圧ステップより広がった構成として、低電圧域での損失を少なくすることができる。
詳細には、図18に示されるように、高電圧域での損失に相当する領域cは、図14における電圧ステップの幅よりも広くなっているので、面積でみれば大きいが、高電圧域でキャパシタンスが小さくなっているので、見掛け上の面積のほど、消費電力は大きくはならない。また、図18において、低電圧域での損失a、bは、電圧ステップの幅が図16と比較して狭くなっている。このため、低電圧域でキャパシタンスが大きくなっても、損失が大きくなることが抑止されている。したがって、本実施形態では、比較例その2と比べて、消費電力をさらに改善することができる。
詳細には、図18に示されるように、高電圧域での損失に相当する領域cは、図14における電圧ステップの幅よりも広くなっているので、面積でみれば大きいが、高電圧域でキャパシタンスが小さくなっているので、見掛け上の面積のほど、消費電力は大きくはならない。また、図18において、低電圧域での損失a、bは、電圧ステップの幅が図16と比較して狭くなっている。このため、低電圧域でキャパシタンスが大きくなっても、損失が大きくなることが抑止されている。したがって、本実施形態では、比較例その2と比べて、消費電力をさらに改善することができる。
ところで、低電圧域において圧電素子40のキャパシタンスが大きくなるのであれば、比較例その1において、例えば電圧Gから電圧VH/6までの範囲を複数に分割して、当該範囲における損失を小さくする構成が考えられる。しかしながら、この構成は、補助電源回路50の構成が複雑化する、あるいは、他の範囲における電圧ステップの幅が広がることによって、当該他の範囲での損失が大きくなるので、全体でみると、消費電力の改善はあまり期待できない。
これに対して本実施形態では、電圧V5〜V1として、電圧5VH/7〜VH/7をドライバー30に出力する補助電源回路50は、電圧VH、Gを含めて、7個のタップのうち、1個を不使用とする構成で済むので、構成の複雑化を避けた上で、消費電力の改善が期待できるのである。
これに対して本実施形態では、電圧V5〜V1として、電圧5VH/7〜VH/7をドライバー30に出力する補助電源回路50は、電圧VH、Gを含めて、7個のタップのうち、1個を不使用とする構成で済むので、構成の複雑化を避けた上で、消費電力の改善が期待できるのである。
なお、実施形態において、電圧V4における電位が第0電位であり、電圧V5における電位が第1電位であり、電圧VHにおける電位が第2電位である。すなわち、実施形態は、第0電位から第1電位までの第1電位差よりも、第1電位から第2電位までの第2電位差の方が大きい例である。
上述した実施形態では、圧電素子40のキャパシタンスが高電圧域よりも低電圧域で大きくなる例であったが、圧電素子40の構造、振動モードなどによっては、電圧依存性を無視することができる場合がある。そこで次に、圧電素子40がキャパシタンスの電圧依存性を有しない場合を想定してみる。
一方で、圧電素子40の物理的な変位によって液体をノズル451から吐出させるには、上述したような台形波形で与えられる。ここで、駆動信号の電位において、単位時間あたりの滞在時間が長い領域では、当該電位付近で変化する頻度が高い、ということを意味する。このため、駆動信号の電位において滞在時間が長い領域の電圧ステップの幅を狭くすれば、電圧変化に伴う損失が抑えられる。逆に、駆動信号の電位において、単位時間あたりの滞在時間が短い領域またはゼロの領域では、当該電位付近で変化する頻度が低い、または、変化しないことを意味する。このため、駆動信号の電位において滞在時間が短い領域、または、ゼロの領域の電圧ステップの幅を広くしても、電圧変化に伴う損失が抑えられる、と考えられる。具体的な例を挙げて説明する。
一方で、圧電素子40の物理的な変位によって液体をノズル451から吐出させるには、上述したような台形波形で与えられる。ここで、駆動信号の電位において、単位時間あたりの滞在時間が長い領域では、当該電位付近で変化する頻度が高い、ということを意味する。このため、駆動信号の電位において滞在時間が長い領域の電圧ステップの幅を狭くすれば、電圧変化に伴う損失が抑えられる。逆に、駆動信号の電位において、単位時間あたりの滞在時間が短い領域またはゼロの領域では、当該電位付近で変化する頻度が低い、または、変化しないことを意味する。このため、駆動信号の電位において滞在時間が短い領域、または、ゼロの領域の電圧ステップの幅を広くしても、電圧変化に伴う損失が抑えられる、と考えられる。具体的な例を挙げて説明する。
図19(a)に示されるような波形が駆動信号として想定される場合、単位期間Tsにおける当該駆動信号の電位の滞在時間が、高電圧域側の方が低電圧域よりも長ければ、高電圧域での電圧ステップの幅を低電域での電圧ステップの幅よりも狭くする。これにより、損失が抑えられて、消費電力の改善が図られる。
一方、同図(b)に示されるような波形が駆動信号として想定される場合、単位期間Tsにおける当該駆動信号の電位における滞在時間が、低電圧域側の方が高電圧域よりも長ければ、低電圧域での電圧ステップの幅を高電圧域での電圧ステップの幅よりも狭くする。これにより、消費電力の改善が図られる。
一方、同図(b)に示されるような波形が駆動信号として想定される場合、単位期間Tsにおける当該駆動信号の電位における滞在時間が、低電圧域側の方が高電圧域よりも長ければ、低電圧域での電圧ステップの幅を高電圧域での電圧ステップの幅よりも狭くする。これにより、消費電力の改善が図られる。
なお、電圧ステップの幅を変更するための構成は、補助電源回路50において電圧ステップの幅を「広」とする電圧範囲に、不使用とする電圧が含まれるように変更する構成とすれば良い。
また、図19における単位期間Tsは、台形波形の繰り返し周期としたが、図4における印刷周期Taでも良い。
図19の例では、電圧Gにおける電位が第0電位であり、電圧V1における電位が第1電位であり、電圧V2における電位が第2電位である。すなわち、この例は、駆動信号の電位の滞在時間が高電位域で長くなる場合に、第1電位差よりも第2電位差の方が大きく、滞在時間が低電位域で長くなる場合に、第1電位差よりも第2電位差の方が小さい例である。
また、図19における単位期間Tsは、台形波形の繰り返し周期としたが、図4における印刷周期Taでも良い。
図19の例では、電圧Gにおける電位が第0電位であり、電圧V1における電位が第1電位であり、電圧V2における電位が第2電位である。すなわち、この例は、駆動信号の電位の滞在時間が高電位域で長くなる場合に、第1電位差よりも第2電位差の方が大きく、滞在時間が低電位域で長くなる場合に、第1電位差よりも第2電位差の方が小さい例である。
また、駆動信号の台形波形において、開始時および終了時では、上述したように電圧Vcであるので、台形波形は電圧Vcを起点として変化し、電圧Vcを終点として変化する。このため、駆動信号の電圧Vcを含む領域では、当該電圧付近で変化する頻度が高くなるので、当該領域の電圧ステップの幅を最も狭くすれば、電圧変化に伴う損失が抑えられる。
図20(a)に示されるような波形が駆動信号として想定される場合のように、当該駆動信号の単位である台形波形の開始時および終了時の電圧Vcが電圧V3以上電圧V4未満の領域に位置するのであれば、当該領域の電圧ステップの幅を、他の領域、例えば電圧V5以上電圧VH未満の領域よりも狭く、好ましくは最も狭くすれば良い。
なお、図20(a)の例は、電圧V3における電位が第p電位であり、電圧V4における電位が第(p+1)電位であり、電圧V5における電位が第q電位であり、電圧VHにおける電位が第(q+1)電位である。すなわち、この例は、非吐出待機電位に相当する電圧Vcが、第p電位以上第(p+1)電位未満であるときに、第p電位から第(p+1)電位までの第p電位差が第q電位から第(q+1)電位までの第q電位差よりも小さい例である。
なお、図20(a)の例は、電圧V3における電位が第p電位であり、電圧V4における電位が第(p+1)電位であり、電圧V5における電位が第q電位であり、電圧VHにおける電位が第(q+1)電位である。すなわち、この例は、非吐出待機電位に相当する電圧Vcが、第p電位以上第(p+1)電位未満であるときに、第p電位から第(p+1)電位までの第p電位差が第q電位から第(q+1)電位までの第q電位差よりも小さい例である。
また、図20(b)に示されるような波形が駆動信号として想定される場合のように、当該駆動信号の単位である台形波形の開始および終了時の電圧Vcが電圧V2以上電圧V3未満の領域に位置するのであれば、当該領域の電圧ステップの幅を最も狭くすれば良い。
印刷装置1の環境温度が変化したとき、インクの粘性等も変化して、インクが目的とする地点からずれて着弾し、印刷品位を低下させてしまう場合がある。このような印刷品位の低下を防止するために、温度の変化に合わせて駆動信号の波形を補正する技術が知られている。具体的には、センサーなどによって検出した環境温度に合わせて、元駆動信号の台形波形の頂点座標や、傾き、振幅などを補正して、環境温度が変化しても、インクの着弾位置がずれないようにしている。このように台形波形が変化したときに、台形波形における電位の滞在時間や、電圧Vcの位置などによって、電圧ステップの幅が変更される構成とすれば良い。
例えば、ある温度において、元駆動信号Vin(駆動信号COM)が図21(a)に示されるような波形となっている場合に、高電圧域における電圧ステップの幅が「広」となっている状態において、温度変化が生じて、元駆動信号Vin(駆動信号COM)が図21(b)に示されるような波形に補正されるのであれば、すなわち、補正後における駆動信号の電位の滞在時間が低電圧域で短くなるのであれば、低電圧域における電圧ステップの幅が「広」に変更される。
このように、駆動信号の波形が変化したときに、その波形の変化に合わせて電圧ステップの幅の「広」、「狭」となる場所が変更される構成としても良い。
なお、図21の例では、電圧V4における電位が第0電位であり、電圧V5における電位が第1電位であり、電圧VHにおける電位が第2電位である。すなわち、この例では、第0電位から第1電位までの第1電位差と、第1電位から第2電位までの第2電位差とのうち、温度変化によって、第2電位差が変化した例である。元駆動信号に対する補正内容によっては、第1電位差を変化させても良いし、第1電位差および第2電位差の双方を変化させても良い。
このように、駆動信号の波形が変化したときに、その波形の変化に合わせて電圧ステップの幅の「広」、「狭」となる場所が変更される構成としても良い。
なお、図21の例では、電圧V4における電位が第0電位であり、電圧V5における電位が第1電位であり、電圧VHにおける電位が第2電位である。すなわち、この例では、第0電位から第1電位までの第1電位差と、第1電位から第2電位までの第2電位差とのうち、温度変化によって、第2電位差が変化した例である。元駆動信号に対する補正内容によっては、第1電位差を変化させても良いし、第1電位差および第2電位差の双方を変化させても良い。
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変形が可能である。なお、次に述べる変形の態様は、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。
上述したドライバー30では、元駆動信号Vinの電圧の上昇時または下降時において電圧Voutが電圧G、V1、V2、V3、V4、V5、VHに近いと、トランジスター351、352において電流が流れ難い状態になる。
例えばドライバー30では、元駆動信号Vinの電圧(または電圧Vout)の上昇時において、当該元駆動信号Vinの電圧が電圧V1に近くなると、単位回路34aにおけるトランジスター351において電流が流れ難い状態になる(ゲート・ソース間の電圧が低いため)。
そこで、元駆動信号Vinの電圧の上昇時において、当該元駆動信号Vinの電圧が電圧V1に近くなった場合に、単位回路34aにおけるトランジスター351のみならず、1段上の単位回路34bにおけるトランジスター351が配線512をも経由させて圧電素子40に電流を供給する構成としても良い。
同様に、例えば、元駆動信号Vinの下降時において電圧V1に近くなると、単位回路34bにおけるトランジスター352において電流が流れ難い状態になる。そこで、元駆動信号Vinの電圧の下降時において、当該元駆動信号Vinの電圧が電圧V1に近くなった場合に、単位回路34bにおけるトランジスター352のみならず、1段下の単位回路34aにおけるトランジスター352をも経由させて、圧電素子40から配線510に電流を供給する構成としても良い。
例えばドライバー30では、元駆動信号Vinの電圧(または電圧Vout)の上昇時において、当該元駆動信号Vinの電圧が電圧V1に近くなると、単位回路34aにおけるトランジスター351において電流が流れ難い状態になる(ゲート・ソース間の電圧が低いため)。
そこで、元駆動信号Vinの電圧の上昇時において、当該元駆動信号Vinの電圧が電圧V1に近くなった場合に、単位回路34aにおけるトランジスター351のみならず、1段上の単位回路34bにおけるトランジスター351が配線512をも経由させて圧電素子40に電流を供給する構成としても良い。
同様に、例えば、元駆動信号Vinの下降時において電圧V1に近くなると、単位回路34bにおけるトランジスター352において電流が流れ難い状態になる。そこで、元駆動信号Vinの電圧の下降時において、当該元駆動信号Vinの電圧が電圧V1に近くなった場合に、単位回路34bにおけるトランジスター352のみならず、1段下の単位回路34aにおけるトランジスター352をも経由させて、圧電素子40から配線510に電流を供給する構成としても良い。
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、これに限られない。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、 本発明は、容量性負荷駆動を行う装置であれば、液体吐出装置に限らず、容量性負荷を駆動する駆動回路や、圧電素子を用いて脈拍を取得するための脈拍センサーなどにも適用することができる。
1…印刷装置(液体吐出装置)、10…制御ユニット、15…元駆動信号生成部、20…ヘッドユニット、30…ドライバー、32…オペアンプ、34a〜34f…単位回路、36a〜36f…レベルシフター、38a〜38f…コンパレーター、40…圧電素子、50…補助電源回路、230…選択部、351、352…トランジスター、400…吐出部、431…キャビティ、451…ノズル、510〜515、517…配線。
Claims (6)
- 一端に駆動信号が印加されて、一端および他端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、
第0電位の第0配線と、
前記第0電位よりも高い第1電位の第1配線と、
前記第1電位よりも高い第2電位の第2配線と、
前記駆動信号の電圧を制御する元駆動信号の電圧と前記圧電素子の保持電圧とに応じて、前記圧電素子の一端を、前記第0配線、前記第1配線または前記第2配線に、電気的に接続する接続経路選択部と、
を含み、
前記第0電位から前記第1電位までの第1電位差と、
前記第1電位から前記第2電位までの第2電位差と、
は異なる
ことを特徴とする液体吐出装置。 - 前記第1電位差よりも前記第2電位差の方が大きい、
ことを特徴とする請求項1に記載の液体吐出装置。 - 前記駆動信号の電位が前記第0電位以上前記第1電位未満までの第1範囲に滞在する時間が、前記第1電位以上前記第2電位未満までの第2範囲に滞在する時間よりも長い場合、前記第1電位差よりも前記第2電位差の方が大きく、
前記駆動信号の電位が前記第1範囲に滞在する時間が、前記第2範囲に滞在する時間よりも短い場合、前記第1電位差よりも前記第2電位差の方が小さい、
ことを特徴とする請求項1に記載の液体吐出装置。 - 第p電位の第p配線と、
前記第p電位よりも高い第(p+1)電位の第(p+1)配線と、
第q電位の第q配線と、
前記第p電位よりも高い第(q+1)電位の第(q+1)配線と、
とを有し、
前記接続経路選択部は、
前記駆動信号の電圧を制御する元駆動信号の電圧と前記圧電素子の保持電圧とに応じて、前記圧電素子の一端を、前記第p配線、前記第(p+1)配線、前記第q配線または前記第(q+1)配線に電気的に接続し、
所定の非吐出待機電位が、前記第n電位以上前記第(n+1)電位未満であるとき、
前記第p電位から前記第(p+1)電位までの第p電位差は、
前記第q電位から前記第(q+1)電位までの第q電位差よりも小さい
ことを特徴とする請求項1に記載の液体吐出装置。 - 前記元駆動信号の電圧波形が変更されたとき、
少なくとも前記第1電位差または前記第2電位差の一方が変化する、
ことを特徴とする請求項1に記載の液体吐出装置。 - 一端に駆動信号が印加されて、一端および他端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、
第0電位の第0配線と、
前記第0電位よりも高い第1電位の第1配線と、
前記第1電位よりも高い第2電位の第2配線と、
を含み、
前記第0電位から前記第1電位までの第1電位差と、
前記第1電位から前記第2電位までの第2電位差と、
が異なる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元駆動信号の電圧と前記圧電素子の保持電圧とに応じて、前記圧電素子の一端を、前記第0配線、前記第1配線または前記第2配線に、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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