JP3677945B2 - 記録装置用ヘッド駆動装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プリンタ等の記録装置用ヘッド駆動装置に係り、特に、ヘッド駆動チャンネルを選択するためのスイッチ回路とこのスイッチ回路へヘッドを駆動する電力を供給する電力増幅器とが配線材により接続された記録装置用ヘッド駆動装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、プリンタ等の記録装置において、ヘッド駆動チャンネルを選択するためのスイッチ回路とこのスイッチ回路へヘッドを駆動する電力を供給する電力増幅器とが離れた位置で構成されものにあっては、両者間がＦＰＣ（フレキシブル・プリンティッド・サーキット板）等の配線材により接続される。図１にその構成を示す。インクを噴射するためのヘッド１とこのヘッド１のチャンネルを選択するためのスイッチ回路（スイッチＩＣという）２１とがヘッドユニット３に設けられ、このヘッドユニット３は走査移動されるキャリッジ上に搭載される。このスイッチＩＣ２１へ電力を供給する電力増幅器４１は装置本体側に設けられ、スイッチＩＣ２１と電力増幅器４１との間は配線材５により接続される。電力増幅器４１は、波形発生器４２からの信号を受けて動作する。スイッチＩＣ２１には制御信号及び電源が供給される。
【０００３】
このような構成においては、スイッチＩＣ２１と電力増幅器４１との間の配線材５による電圧降下が発生する。このため、ヘッド１に印加されるべき電力が配線材５により消費され、ヘッド１の性能をフルに発揮することができない場合があり、その場合は、インク噴射速度が低下し、印字品位の劣化につながる。この問題を防ぐために、波形の劣化の原因である配線材５での損失を低減するため、配線材５のインピーダンスを下げるように導体幅を増やしたり、電力増幅器４１が出力する波形に対して予め配線材５による劣化を補正しておく必要があった。
【０００４】
また、スイッチＩＣ２１の入力−出力特性が非線形であるために、駆動信号がスイッチＩＣを通り抜けると歪むため、希望する波形がヘッドに印加されないという問題があった。この問題を防ぐために、波形劣化の原因であるスイッチＩＣの非線形分を予め補正しておく必要があった。
このような理由から、装置の小型化を困難としたり、コストの上昇を招いていた。また、波形の補正に関しては、同時駆動するチャンネル数の変化に対して対応するには処理回路の複雑化を招き、コスト高の要因となる。
【０００５】
ここで、上記構成の動作原理について説明する。図２に各部の波形を示している。波形発生器４２により駆動波形（１）を発生し、この駆動波形（１）を電力増幅器４１により増幅し、その出力を配線材５を経由してスイッチＩＣ２１に送る。スイッチＩＣ２１の入力及び出力波形は図示のように歪む。この出力波形の駆動電圧が、スイッチＩＣ２１に入力されている制御信号に基づいて選択されたヘッド１に対して印加される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来の構成では、電力増幅器４１の出力自体、つまりａ，ｂ間に希望の駆動波形を発生させることは可能であっても、装置の大型化・コストアップを招くことなく、ヘッドユニット３の入力端ｃ，ｄ間に、希望の駆動波形を得ることは、配線材５による電圧降下の存在により困難であり、従って、スイッチＩＣ２１の電源入力端子には希望する波形の電圧を供給することが困難となる。図３に駆動回路の電気的等価回路を示す。配線材５は、Ｒ（抵抗成分）とＬ（インダクタンス成分）を主成分として構成されており、図示では、集中定数的にｃ〜ｅ／ｄ〜ｆに、ＲとＬとを各々１個づつしか記していないが、実際には分布定数的に存在する。
【０００７】
また、スイッチＩＣとして代表的なＣＭＯＳのアナログスイッチの入力電圧に対する抵抗値特性を図４に示す。アナログスイッチは、外部からの制御信号により、入出力間をＯＮ／ＯＦＦする機能を有しており、その非線形特性は、入力電圧に対しＯＮ時の入出力間の抵抗が変化するものである。スイッチＩＣ２１の非線形特性により、入力された信号は、さらに歪むことになる。
【０００８】
以下に、配線材５の抵抗成分の存在が、ヘッド１に印加される信号に対して、どのような障害を及ぼすかを説明する。ヘッド１がいわゆるＰＺＴ（ピエゾ）系である場合、この方式は、インクを飛ばすためにＰＺＴに電圧を印加し、ＰＺＴが変形したことによるインク通路内の圧力変化を利用するものである。ヘッド１がＰＺＴの場合の等価回路を図５に示す。ＰＺＴは等価的にはコンデンサ１２である。このため、数多くのノズルからインクを同時噴射しようとすると、ピーク電流は下式で表されるものとなる。
電流＝駆動電圧／配線材抵抗＋駆動電圧×同時噴射ノズル数／スイッチング素子のＯＮ抵抗
【０００９】
１ノズルあたりの電流が２０ｍＡピークとしても、チャンネルが１２８ｃｈあると、電流は２．５６Ａとなる。そして、配線材５の抵抗が１Ωとすると往復線路で２Ωとなり、電圧降下は、５．１２Ｖとなる。これは、電源電圧（例えば２４Ｖ）に対して相対的に無視できない電圧降下である。図６は配線材５に損失がない場合と、損失が発生した場合の電圧波形を示している。配線材５に損失が発生すると、電圧波形の立ち上がり・立ち下がりが鈍ったものとなり、ヘッド駆動の応答性が低下する。さらに、スイッチＩＣの非線形性の影響により、スイッチＩＣの出力波形は、上述の図２に示したように、歪む。このため、波形発生器４２から出力された駆動波形（１）と比較すると、立ち上がり・立ち下がりに著しい相違が発生する。これによって、ＰＺＴの変形が期待通りにならないため、インク噴射特性が低下する。
【００１０】
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、装置の大型化・複雑化・コストアップを招くことなく、スイッチＩＣと電力増幅器との間の配線材による損失及びスイッチＩＣの非線形分を補償して、スイッチＩＣに適正な波形の電圧を印加することが可能で、ヘッドの性能をフルに発揮することができ、印字品位を確保し得る記録装置用ヘッド駆動装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１の発明の記録装置用ヘッド駆動装置は、ヘッド駆動チャンネルを選択するためのスイッチ回路とこのスイッチ回路へヘッドを駆動する電力を供給する電力増幅器とが配線材により接続された記録装置用ヘッド駆動装置において、電力増幅器は帰還回路を有し、帰還回路は、スイッチ回路の一つのスイッチとヘッドの一つのチャンネルを接続した点及びグランド点から電力増幅器まで帰還用信号線を導出して、帰還ループ内にスイッチが挿入されるようにしたものである。
上記構成においては、電力増幅器は、スイッチ回路の一つのスイッチとヘッドの一つのチャンネルを接続した点の電圧が負帰還され、負帰還ループ内に一種の非線形なアナログスイッチが挿入されることになるので、スイッチによる波形歪を補償して歪のない電圧をスイッチ回路に供給することができ、従って、ヘッドはスイッチによる波形歪の影響を受けることなく適正に動作する。
【００１２】
また、請求項２の発明の記録装置用ヘッド駆動装置は、上記請求項１に記載の構成において、スイッチ回路はヘッドが搭載されたヘッドユニット側に設けられ、前記一つのスイッチは常時オンとされるものであり、前記一つのチャンネルはインクを噴射しないダミー又はヘッドの１チャンネルと等価回路網を有するものであり、電力増幅器は記録装置本体側に設けられているものである。
上記構成においては、負帰還ループをダミーのヘッドの１チャンネル又はそれの等価回路網から取り出すので、負帰還ループを設けたことが正規のヘッドに悪影響を及ぼすことはない。また、ヘッドユニット側のスイッチ回路と、このスイッチ回路に電力を供給する記録装置本体側の電力増幅器とが配線材により接続され、配線材は可動であり、その導体幅の薄いものを用いる方が望ましく、そうした場合に、配線材のインピーダンスが多少大きくなって損失が大きくなったとしても、スイッチ回路へ供給される電圧は負帰還制御により補償されるので、何ら支障がない。
【００１３】
また、請求項３の発明の記録装置用ヘッド駆動装置は、上記請求項１又は請求項２に記載の構成において、電力増幅器には、ヘッド駆動波形を生成する波形発生器からの信号が入力されるものである。
上記構成においては、ヘッド駆動波形を生成する波形発生器と電力増幅器とはそれぞれ役割を分担するので、帰還制御される電力増幅器の構成が簡単となる。
【００１４】
また、請求項４の発明の記録装置用ヘッド駆動装置は、上記請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の構成において、帰還回路にはインピーダンス変換器を挿入したものである。
上記構成においては、電力増幅器の負荷が静電容量と非線形な入出力特性を示すスイッチ回路であるので、帰還回路のインピーダンスが低いと、負荷に流れるべき電流が帰還回路に流れるため、誤った帰還がなされる可能性があるが、インピーダンス変換器を挿入したことにより、そのようなことがなくなる。
【００１５】
また、請求項５の発明の記録装置用ヘッド駆動装置は、上記請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の構成において、ヘッドはインク噴射のために圧電素子を用いたインクジェット方式のものである。
上記構成においては、帰還回路によりスイッチ回路による波形歪が補償されるので、ヘッドの圧電素子に含まれるコンデンサ成分に起因する電圧波形の歪発生が抑制され、インクの噴射応答が低下することがなくなる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した実施形態について図面を参照して説明する。
図７は、記録装置用ヘッド駆動装置の回路図である。本駆動装置は、インクジェット方式によりインク噴射を行うヘッド１と、このヘッド１の駆動チャンネルを選択するためのヘッド駆動回路２１（スイッチＩＣという）とが設けられたヘッドユニット３と、スイッチＩＣ２１に電力を供給する電力増幅器４１と、この電力増幅器４１に波形信号を供給する波形発生器４２とから構成される。ヘッドユニット３は、印字動作のため走査移動されるキャリッジに搭載され、電力増幅器４１と波形発生器４２は装置本体側に設けられることから、これら両者間はＦＰＣ等でなる配線材５により接続される。
【００１７】
そして、本発明においては、電力増幅器４１は、負帰還回路を有しており、スイッチＩＣ２１の一つのスイッチ（通常、非線形のアナログスイッチ）とヘッドの一つのチャンネルを接続した点及びグランド点から電力増幅器４１まで負帰還用信号線７１，７２を導出して、これにより負帰還ループ内にアナログスイッチを挿入している。また、スイッチＩＣ２１には、制御信号及び電源が供給される。負帰還用信号線７１，７２は、配線材５のＦＰＣ等の配線を利用すればよい。
【００１８】
図８は、電力増幅器４１の入力波形（ｉｎ）と出力波形（ｏｕｔ）及び、その場合のスイッチＩＣ２１の出力波形を示す。電力増幅器４１の出力波形は負帰還がかけられたものとなっていて、スイッチＩＣ２１の出力波形は、図２に示したものに比べて歪が補正されたものとなる。
【００１９】
図９はスイッチＩＣ２１、ヘッド１及び帰還回路の具体的回路を示す。ヘッド１は等価的にはコンデンサ１２であり、スイッチＩＣ２１のスイッチ２２と同等で常時ＯＮとされる一つのスイッチ２３とダミーのヘッド１３の一つのチャンネルとの接続点からを負帰還用信号線７１（Ｄ）を導出し、シグナルグランド点から負帰還用信号線７２（Ｅ）を導出している。これら負帰還用信号線７１（Ｄ），７２（Ｅ）は、それぞれ図７に示されるように、電力増幅器４１の端子Ｃ，Ｂに接続される。なお、端子Ｆ、Ｇ（Ｇはパワーグランド）は、配線材５を介して電力増幅器４１の出力端に接続されている。ヘッド１３に代えて、等価静電容量のコンデンサでもよい。
【００２０】
図１０は、電力増幅器４１の具体回路例を示し、（ａ）は非反転増幅回路４１ａを用いた場合、（ｂ）は反転増幅回路４１ｂを用いた場合である。非反転増幅回路４１ａ及び反転増幅回路４１ｂはいずれも入力波形と出力波形との差がなくなるように動作する（但し、反転増幅では入出力は反転）。各増幅回路４１ａ、４１ｂへの負帰還回路には、インピーダンス変換器４４が挿入されている。インピーダンス変換器４４は出力インピーダンスが低く、入力インピーダンスが高いものを用い、これにより、電力増幅器４１の負荷が静電容量と非線形な入出力特性を示すスイッチＩＣ２１であるにも拘わらず、負荷に流れるべき電流が負帰還回路に流れないようにしている。なお、図示のＡ，Ｂ，Ｃ端はそれぞれ図７の同符号に対応し、グランド、負帰還用信号線７２（Ｅ），７１（Ｄ）に接続される。また、各増幅回路４１ａ、４１ｂの出力端子（ｏｕｔ）は一方の配線材５に接続され、入力端子（ｉｎ）には波形発生器４２の出力が接続される。
【００２１】
上記のように構成されているので、電力増幅器４１は、その負帰還回路にスイッチＩＣ２１を含むことになり、負帰還制御により、アナログのスイッチＩＣ２１の非線形特性による波形歪の発生を防止することができる。すなわち、図８に示したように、スイッチＩＣ２１の入力波形に対して、電力増幅器４１の出力波形（ｏｕｔ）は、スイッチＩＣ２１の非線形性を補償するような駆動波形特性となる。これにより、スイッチＩＣ２１には歪のない波形の電圧を供給することができ、従って、ヘッド１は適正に動作する。また、これにより、従来のように、波形の劣化の原因であるスイッチＩＣの非線形分を予め補正しておくといった複雑な構成及び処理が不要となる。
【００２２】
また、配線材５は可動性に富むように、できるだけその導体幅の薄いものが望ましく、そうした場合に、配線材５のインピーダンスが多少大きくなって電圧降下が大きくなったとしても、その電圧降下は補償され、スイッチＩＣ２１へは規定電圧が供給されるので、ヘッド１の正常動作に何ら支障がなく印字品位は保証される。なお、スイッチＩＣ２１側から電力増幅器４１側まで導出される負帰還用信号線７１，７２に流れる電流は微小であり（電力供給線である配線材５に流れる電流に比べて極めて少ない）、そこでの電圧降下は無視できる。
【００２３】
また、ヘッド１が、圧電素子等を用いたインクジェット方式である場合、圧電素子に含まれるコンデンサ成分に起因して電圧波形が鈍り易いが、本発明では、電圧降下分が補償されるので、コンデンサ成分に起因する電圧波形の鈍り発生が抑制され、インクの噴射応答が低下することがなくなる。
【００２４】
なお、本発明は上記実施形態の構成に限られず種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、インクジェット方式のヘッドを示したが、バブルジェット系のヘッド、サーマルヘッド、熱昇華型ヘッドにも同様に適用可能であり、特に、これらのヘッドではヘッドへの通電電流が大きいことから、配線材５での電圧降下が大きくなり、従って、本発明を適用した場合の効果は大きい。
【００２５】
【発明の効果】
以上のように請求項１の発明に係る記録装置用ヘッド駆動装置によれば、電力増幅器の帰還ループ内にヘッド駆動チャンネルを選択するスイッチ回路のスイッチが挿入されるので、スイッチの非線形分による波形歪の発生が防止される。従って、希望する波形の電圧をスイッチ回路に供給することができ、ヘッドは適正に駆動され、インク噴射速度が低下するようなことがなくなり印字品位を保証し得る。しかも、波形劣化の原因であるスイッチの非線形分を予め補正しておくといった複雑な構成及び処理が不要となる。また、配線材での電圧降下を防ぐために、配線材のインピーダンスを下げるよう導体幅を増やしたり、スイッチ回路の近傍に大容量のコンデンサを設けるといった必要がなくなり、装置の小型化、コストダウンが図れる。
【００２６】
また、請求項２又は請求項３の発明に係る記録装置用ヘッド駆動装置によれば、負帰還ループをダミーのヘッドの１チャンネル又はそれの等価回路網から取り出すので、負帰還ループを設けたことにより正規のヘッドの動作に何らの影響を及ぼすことはない。また、可動なヘッドユニット側のスイッチ回路と、これに電力を供給する記録装置本体側の電力増幅器とが配線材により接続されていて、配線材の導体幅を薄くしてそのインピーダンスが多少大きくなって電圧降下が大きくなったとしても、スイッチ回路へ供給される電圧は補償され、上記請求項１と同等の効果が得られる。
【００２７】
また、請求項４の発明に係る記録装置用ヘッド駆動装置によれば、負荷に流れるべき電流が帰還回路に流れると誤った帰還がなされるが、インピーダンス変換器が帰還回路に挿入されていることにより、そのようなことが防止される。
【００２８】
また、請求項５の発明に係る記録装置用ヘッド駆動装置によれば、スイッチ回路による波形歪のない電圧をヘッドに供給できるので、圧電素子のコンデンサ成分による電圧波形の鈍り発生を抑制することができ、ヘッド駆動の応答性が低下することがなくなり、印字品位を保証することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のヘッド駆動用回路の回路図である。
【図２】ヘッド駆動波形を示す図である。
【図３】従来のヘッド駆動用回路の電気的等価回路図である。
【図４】スイッチの非線形特性を示す図である。
【図５】ヘッドとスイッチ回路の回路図である。
【図６】圧電系ヘッドの場合の配線材による損失の影響を示す電圧波形図である。
【図７】本発明の実施形態によるヘッド駆動用回路の回路図である。
【図８】電力増幅器とスイッチＩＣでの各部波形を示す図である。
【図９】スイッチＩＣと帰還回路の回路図である。
【図１０】電力増幅器の具体的回路図である。
【符号の説明】
１ ヘッド
１３ ダミーのヘッド
２１ ヘッド駆動用回路（スイッチＩＣ）
２２，２３ スイッチ
３ ヘッドユニット
４１ 電力増幅器
４１ａ 非反転増幅回路
４１ｂ 反転増幅回路
４２ 波形発生器
４４ インピーダンス変換器
５ 配線材
７１，７２ 負帰還用信号線

Claims (5)

1. ヘッド駆動チャンネルを選択するためのスイッチ回路とこのスイッチ回路へヘッドを駆動する電力を供給する電力増幅器とが配線材により接続された記録装置用ヘッド駆動装置において、
   前記電力増幅器は帰還回路を有し、
   前記帰還回路は、前記スイッチ回路の一つのスイッチとヘッドの一つのチャンネルを接続した点及びグランド点から電力増幅器まで帰還用信号線を導出して、帰還ループ内に前記スイッチが挿入されるようにしたことを特徴とする記録装置用ヘッド駆動装置。
2. 前記スイッチ回路はヘッドが搭載されたヘッドユニット側に設けられ、前記一つのスイッチは常時オンとされるものであり、前記一つのチャンネルはインクを噴射しないダミー又は前記ヘッドの１チャンネルと等価回路網を有するものであり、前記電力増幅器は記録装置本体側に設けられていることを特徴とする請求項１記載の記録装置用ヘッド駆動装置。
3. 前記電力増幅器には、ヘッド駆動波形を生成する波形発生器からの信号が入力されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の記録装置用ヘッド駆動装置。
4. 前記帰還回路には、インピーダンス変換器を挿入したことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の記録装置用ヘッド駆動装置。
5. 前記ヘッドは、インク噴射のために圧電素子を用いたインクジェット方式のものであることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の記録装置用ヘッド駆動装置。

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