JP4387578B2 - インクジェットプリンタの発射エネルギー制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、包括的にはプリンタの発射エネルギーを制御する方法および装置に関し、より詳細には、インクジェットプリンタの発射エネルギー制御用の非飽和スイッチング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
熱インクジェットプリンタは、ノズル抵抗器を用いてインク滴を発射（firing）する。インク滴を適切に発射するには、それぞれのノズル抵抗器に十分な量のエネルギーを供給しなければならない。あるノズル抵抗器に送出されるエネルギーの量が少なすぎると、インク滴を噴出するのに十分な熱が発生しないかもしれないし、滴の速度が低くなりすぎるかもしれない。このどちらの状態であっても、その結果、印字ページには目に見える瑕疵が生じる可能性がある。あるノズル抵抗器に送出されるエネルギーの量が多すぎる場合には、その抵抗器は高温になり過ぎて、その結果、ペンの寿命が短くなってしまう可能性がある。こういった理由のために、熱インクジェットペンを適切に動作するには、正確なエネルギー制御が必要不可欠である。
【０００３】
図１を参照すると、インクジェットプリンタの制御エレクトロニクス／インクジェットペンシステム１００は、メインエレクトロニクスボード(main electronics board)１０２、インクジェットペン１０４、相互接続ケーブル１０６、およびケーブル１０６の両端にある関連するコネクタ１０８、１１０を含む。例示的な、好適なエレクトロニクスボード１０２は、正確なペン電圧を作り出す電圧調整器回路１１２と、ノズル電流をオンおよびオフにする固体スイッチを含むペンドライバ集積回路（ＩＣ）１１４とを含む。
【０００４】
ドライバのスイッチをオンにすると、電流が、ボード１０２にあるペン電圧供給回路１１２から、ケーブル１０６を通り、ペン１０４内のノズル抵抗器を通り、ケーブル１０６を通ってペン電圧供給回路１１２の接地側へと戻る。こういった構成要素はすべて理想的でないため、これらそれぞれに関連する損失がある。例えば、ペンドライバＩＣ１１４のスイッチはいくらか抵抗を有し、それによって、電流が流れるときに電圧降下が生じる。同様に、ケーブル１０６およびコネクタ１０８、１１０もそれら自体の抵抗を有し、その結果更なる損失が生じる。こういった抵抗は厳密には既知でなく、プリンタによっても温度によっても変化するので、ノズル抵抗器を通って流れる電流量を完全に制御することは困難である。エネルギー誤差の他の原因は、発生したペン供給電圧の許容差およびノズル抵抗器自体の抵抗の変化に由来する。
【０００５】
図２は、送出エネルギーにおける誤差の原因となる非理想的パラメータを含む図１のシステムの電気的概略図を示す。本図において、Ｖ_Supplyは、ペン電圧供給装置の電圧を表し、Ｒ_Seriesは、ケーブルとコネクタの抵抗を直列に組み合わせたものを表し、Ｔ_Fireは、スイッチを閉じている時間であり、Ｖ_Switchは、スイッチを閉じた状態で電流が流れている時のスイッチをはさむ(across)電圧である。スイッチをはさんで損失があるために生じるエネルギーの変化は、エネルギー誤差のかなりの原因となっており、図２の電気的概略図については、次式によって計算される。
Ｅ_Fire＝｛（Ｖ_Supply―Ｖ_Switch）／（Ｒ_Series＋Ｒ_Pen）｝²
× Ｒ_Pen × Ｔ_Fire
【０００６】
本式において、Ｒ_Penを通って流れる電流は中カッコ内の項によって与えられ、これは、両方の抵抗をはさむ電圧を両方の抵抗の和で割ったものに等しい。エネルギーは電流の二乗に比例するので、エネルギーは電流変化の約２倍の変化率で変化する。言い換えれば、電流が±１％変化すると、エネルギーは±２％変化し、電流が±５％変化すると、エネルギーは±１０％変化する、等である。これは、何かにおける変化はその導関数に等しく、ｘ²の（ｘについての）導関数は２である、という事実の結果である。
【０００７】
中カッコ内の項は電流に等しいので、電流は、（Ｖ_Supply―Ｖ_Switch）の量に比例する。この量が変化すると、ペンに送出されるエネルギーは２倍の変化率で変化する。供給電圧が厳密に既知であると仮定すると、スイッチ電圧の変化がどのように送出エネルギーに影響を与えるかを確認することが可能である。供給電圧はスイッチ電圧よりも高いので、スイッチ電圧の変化よりも、その結果生じる全体の量（Ｖ_Supply―Ｖ_Switch）の変化の方が小さい。従って、電流の変化は、次式によって決定される。
電流の変化＝△Ｉ＝ △（Ｖ_Supply―Ｖ_Switch）
＝ △Ｖ_Switch＊（Ｖ_Switch／（Ｖ_Supply―Ｖ_Switch））
…（式１）
ただし「△」は対応する値の変化のパーセントを示す。例えば、Ｖ_SupplyがＶ_Switchの５倍大きい場合には、Ｖ_Switch／（Ｖ_Supply―Ｖ_Switch）は０．２５となり、Ｖ_Switchが変化すると、その結果、電流がその１／４変化する。例として、Ｖ_Supplyが１２．０ボルトでありＶ_Switchが１．３ボルト±３０％の場合、
電流の変化＝△Ｉ＝ ３０％ ＊（１．３／（１２．０−１．３））＝３．６％である。
【０００８】
エネルギーは電流の二乗に比例するので、ペンに送出されるエネルギーの変化（または許容差）は、電流変化の２倍である、ということを思い出していただきたい。従って、スイッチ電圧の許容差によるエネルギーの許容差は、２倍の７．２％になる。インクジェットペンによっては、これだけで、既に指定限界を超えている。図２の電気的概略図における各パラメータを理解しておくことは、全体的な許容差をできるだけ厳しくするという目的にとって有用であろう。ペンドライバＩＣ１１４（図１）内のスイッチに関して、送出エネルギーの精度を改良するためには、スイッチをはさむ電圧降下を厳密に特徴づける(characterize)ことができれば、有用であろう。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
これまでの構成では、スイッチの電圧降下をできるだけ小さくすることによってこの問題の解決を図ってきた。実際、こういったスイッチは、オンにしたときの抵抗および電圧が非常に小さくなるように設計されたトランジスタ（電界効果またはバイポーラ）である。この電圧を非常に小さくすることによって、スイッチの電圧降下が原因である誤差全体が小さくなる（式１を参照）。しかし、このようにオン抵抗が非常に小さいトランジスタを集積回路において実施するためには、トランジスタがシリコンのダイに占める面積が比較的大きくなければならない。こういったトランジスタの多くが同じダイ上に収容される（これは通常のペンドライバＩＣの場合には普通のことである）場合には、ダイの面積がかなり大きくなる可能性があり、その結果、ＩＣのコストが増大する。例えば、電界効果トランジスタのドレイン−ソース間のオン抵抗（Ｒ_DSon）を低減するには、多くの小さなトランジスタを並列接続して複合トランジスタを形成して、全体的なチャネル抵抗の低減が、使用した個々のトランジスタの数に比例するようにする。典型的なペンドライバにおけるこういったトランジスタのＲ_DSonは、十分低く保たれており、その結果、スイッチを通って電流が流れても、電圧降下が十分小さくて、エネルギーの変化は許容できるものとなる。それでも、ドライバトランジスタをはさむ電圧の降下の許容差を許容できるものに維持して、ドライバトランジスタの大きさを比較的小さく保ちながらノズル抵抗器に供給するエネルギーの量を精密に制御するプリンタの発射エネルギー制御装置が依然として必要とされている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るインクジェットプリンタの発射エネルギー制御装置は、スイッチをはさむ電圧の降下によって引き起こされるエネルギー誤差を、まずこの電圧降下を厳密に特徴づけることによって低減する。スイッチをはさむ電圧の降下は良好に特徴づけられるので、ペン電圧を増大してこの損失を補償することができる（すなわち、スイッチの電圧降下に等しい量だけ供給電圧を増大させることによって、（Ｖ_Supply―Ｖ_Switch）を一定に保つ）。本発明の発射エネルギー制御の実施によって、ペンをはさむ電圧および電流の良好な特徴づけが保たれ、従って、ペンに送出されるエネルギーがより厳密に制御される。更に、本発明の発射エネルギー制御の実施によって、より小さいドライバトランジスタを有するドライバＩＣを用いやすくなり、その結果、ドライバＩＣのスペースおよびコストが節約される。
【００１１】
本発明は、エネルギーを厳密に制御するためには、電圧降下は良好に特徴づけなければならないが、必ずしも小さくする必要はない、という事実を利用している。スイッチをはさむ電圧降下が大きくても、電圧降下の許容差が厳しければ、スイッチをはさむこの既知の電圧降下を補償するペン電圧供給装置を用いることによって、それが原因のエネルギー変動をやはり小さく保つことができる。例示的な、好適な実施例において、これは、飽和領域のすぐ外側でスイッチングトランジスタを動作させ、電圧モニタを用いてスイッチの電圧降下を制御することによって行われる。
【００１２】
本発明の１つの実施形態によるインクジェットプリンタの発射エネルギー制御方法は、インクジェットプリンタのノズル抵抗器に電気的に接続されたローサイド・ドライバをはさむ（across）電圧を制御するステップと、前記ローサイド・ドライバをはさむ電圧の変更を補償するために、前記ペンに電気的に接続されたペン供給電圧を調整するステップとを含む。
【００１３】
本発明の他の実施形態によるインクジェットプリンタの発射エネルギー制御方法は、プリンタのペンに電気的に接続されたスイッチをはさむスイッチ電圧を制御するステップと、前記スイッチ電圧の変換を補償するために、前記ペンおよびノズル抵抗器に電気的に接続されたペン供給電圧を調整するステップとを含む。
【００１４】
本発明の他の実施形態によるインクジェットプリンタの発射エネルギー制御装置は、ノズル抵抗器を含むインクジェットのペンと、ノズル抵抗器と低電圧レール(low voltage rail)との間に電気的に接続されたスイッチを含む制御回路であって、スイッチをはさむスイッチ電圧を制御するように構成された、制御回路と、スイッチをはさむ電圧降下を補償するように調節されたペン電圧をノズル抵抗器に供給する調整ペン電圧源とを含む。
【００１５】
本発明の、上述のおよび多くの他の特徴およびそれに付随する利点については、以下の詳細な説明を添付の図面と共に考察して参照することによって本発明がよりよく理解される時、明白となろう。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の好適な実施形態を、添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００１７】
以下は、本発明を実施する現在知られている最良の形態の詳細な説明である。本説明は、限定的な意味で理解してはならず、単に本発明の一般的原理を例示する目的のために行うものである。
【００１８】
図３を参照すると、本発明による、例示的な、好適な発射制御回路３００は、図示のように構成された、ノズル抵抗器３０２、スイッチ３０４、誤差増幅器３０６、基準電圧源３０８、およびバッファ３１０を含む。例示的な、好適なスイッチ３０４は、酸化金属半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）、接合電界効果トランジスタ（ＪＦＥＴ）、バイポーラトランジスタ、または何らかの半導体（またはその他の）スイッチ等の、ローサイドドライバ(low side driver)を含む。スイッチ３０４には、ローサイドドライバが好ましい。しかし、通過電圧を制御したハイサイドドライバもまた、用いてもよい。
【００１９】
発射パルス（Ｔ_Fireで示す）が到着すると、スイッチングＦＥＴ３０４のゲートを駆動するバッファ３１０がエネーブルになり、ＦＥＴ３０４がオンになる。ＦＥＴ３０４がオンになると、ノズル抵抗器（Ｒ_Pen）３０２を通って電流が流れ始め、スイッチ電圧（Ｖ_Switch）が降下し始める。この電圧が基準電圧（Ｖ_{Re f}）に達すると、誤差増幅器３０６の出力が低減する。従って、ＦＥＴ３０４がオフになり始める（そのチャネル抵抗が増大する）。Ｖ_SwitchがＶ_Refに非常に接近すると、これら２つの電圧を互いに非常に接近した状態に保つのに必要な電流まで減らすのにちょうど十分なだけＦＥＴ３０４がオンになる。Ｖ_Switchは、Ｖ_Refよりも下がらないように制御される。ＦＥＴ３０４はそれほど多くの電流を流せないからである。好ましくは、ＦＥＴ３０４がフルにオンになることはなく、従って、飽和領域内で動作することはない。従って、ＦＥＴ３０４は、Ｒ_DSonを小さくしたり厳密に制御する必要はない。フィードバック回路が、電圧降下を非常に厳しい許容差に保つのである。
【００２０】
ＦＥＴ３０４は、飽和していないので電力損失が多いが、多くのペンドライバＩＣでは、これは問題にはならない。同時に駆動されるノズルの数が十分少ないのでＩＣのパッケージが過剰な熱を許容することができるからである。製造の条件および材料において変動があるために、スイッチングＦＥＴ３０４のＲ_DSonは、ＩＣによって変化する。例示的な、好適な実施例において、ワーストケースのＩＣ（すなわち、可能な限り最大のＲ_DSonを有するＩＣ）がワーストケースの動作条件の下でちょうど飽和し始めるように、発射制御回路３００は設計される。これによって、Ｒ_DSonはできる限り大きくすることができ、しかもスイッチ電圧を目標電圧まで下げることができる。Ｒ_DSonができる限り大きいのであれば、ＦＥＴ３０４がシリコンに占める面積はできる限り小さくなり、ＩＣのコストは低いままである。
【００２１】
この発射エネルギー制御の実施の利点のひとつは、フィードバック制御を用いない場合と比較して、Ｒ_DSonを大きくすることができる、ということである。例えば、電圧降下を１．５ボルトに設定して、ペン電流がノズルドライバ当たり２５０ｍＡである場合には、電圧が十分制御され熱損失が問題にならない限り、Ｒ_DSonを６．０Ωもの高い値にすることができる。通常、ほんの±１０％（この場合±０．１５ボルト）という電圧許容差が達成可能である。ペン供給電圧が１２．０ボルトの場合、結果として得られる電流変動は±１．４％（式１を参照）であり、従って、このシナリオにおける電圧変動によって引き起こされるエネルギーの誤差は、２倍の２．８％となる。これと同じ厳しいエネルギー許容差を開ループのＦＥＴスイッチ（すなわちフィードバック制御なし）で達成するためには、ＦＥＴは、Ｒ_DSonの最大変動が約±０．６Ωでなければならない。通常、この用途におけるスイッチングＦＥＴは、プロセスおよび温度によって(over process and temperature)約２％から１％の変動があるため、開ループのＦＥＴの最大のＲ_DSonは、約１．２Ωとなってしまう。これでは、閉ループの非飽和システムにおける６Ωの抵抗器がシリコンのダイ上で占める面積の５倍の面積が必要となってしまう。本発明のアプローチでは、電圧の監視および制御を行う回路を余分に用いるが、この制御回路は、高電流スイッチングトランジスタと比較して大きさが非常に小さい。
【００２２】
本発明の原理は、前述のノズル抵抗器発射エネルギー制御の実施に限定されるものではない、ということが理解されるべきである。例えば、スイッチをはさむ電圧降下を制御する代わりに、Ｒ_DSonの値自体を監視してもよい。電圧降下と電流とを同時に監視することによって、ＦＥＴ３０４の抵抗を確認することができ、この抵抗が一定に保たれるようにゲート（制御）電圧を調節することができる。どちらにしても、フィードバックを用いて、いくらか過剰な熱が発生するという小さな犠牲を払ってＦＥＴ３０４を非飽和モードで動作し続けるようにする。
【００２３】
図４は、インクジェットプリンタシステム用の、例示的な、好適な線形電圧調整器回路４００を示す。電圧調整器回路４００は、ペンのノズル抵抗器を駆動する正確な供給電圧（Ｖ_PEN）を供給し、図示のように構成された、無調整の電源４０２、電力用トランジスタ４０４、抵抗器４０６、４０８、４１０、誤差増幅器４１２、およびバッファ４１４を含む。次式は、電圧調整器回路４００によって、どのようにＶ_PENが発生するかを示す。
Ｖ_PEN＝(Ｖ_REF×(Ｒ１−Ｒ２)／Ｒ２)＋((Ｒ１／Ｒ３)×(Ｖ_REF−Ｖ_ADJ))
【００２４】
供給電圧Ｖ_SUPPLYは、例えば、１から２ボルト内に調整される。これでは、ペンを直接駆動するのに十分厳密ではない。抵抗値がペンによって変化するノズル抵抗器に対応するには、厳しいエネルギー制御が必要であり、電圧が調節可能でなければならないからである。調整器回路４００は、調節電圧Ｖ_ADJを設定することによって、供給電圧Ｖ_SUPPLYをプログラム可能なペン駆動電圧Ｖ_PENに調整して、スイッチ電圧Ｖ_SWITCH（図３）の変化を補償する。
【００２５】
ペン駆動電圧Ｖ_PENを用いて、ペン上のすべてのノズル抵抗器を直接駆動する。ローサイド・ドライバ・トランジスタを用いて、個々のノズル抵抗器が選択的に発射される。通常のインクジェットのペンは、プロセスによる(process)ノズル抵抗器の変動が３０％以上であり、その結果、駆動電流がペンによって変化する。本発明によれば、ドライバトランジスタをはさむ電圧降下が制御されて、それぞれのドライバが（オンになってペンを発射する時に）、そのドライバをはさむ、例えば１．５ボルトの、要求精度以内であることが既知である「プリセット電圧」を有するようになっている。しかし、ドライバの、可能性のある電流変動の範囲にわたって、ドライバをはさむ電圧がいくらか変動するであろうが、ドライバ電圧は、ペンをはさむ電圧と比較して(relative to)小さいので、少しの変動であれば許容できる。図３のフィードバック制御装置３００を用いてドライバ電圧を安定化させることによって、たとえ電流が１０％よりもはるかに多く変化するとしても、電圧は１０％よりも少ない範囲内に制御することができる。
【００２６】
スイッチ３０４をはさむ「オン電圧」は（スイッチ３０４がオンの時）、注意深く選択しなければならない。この電圧が低すぎると、十分に低いオン抵抗にして、通常のインクジェットのペンに必要な高電流を駆動しながら低電圧を達成するために、ローサイドドライバトランジスタは非常に大きくしなければならない（すなわち、シリコンに占める面積が大きくなければならない）。電圧を高く設定しすぎると、トランジスタをはさむ電圧が高くなるのと同様にトランジスタを通る電流が大きい（電力＝電圧×電流）ので、電力損失が過剰なために、ノズル抵抗器の駆動中にトランジスタが熱くなってしまう。どちらの場合も（電圧が高すぎても低すぎても）、ペンドライバＩＣのコストはかなり増大してしまう。前者の場合には、オン抵抗を低くするために必要なより大きなトランジスタに対応するために、シリコンのダイをより大きくしなければならない。後者の場合には、ノズル抵抗器に電流が流れている間に大きな電圧降下によって発生する過剰な熱を放散するために、より高価なＩＣパッケージが必要となろう。
【００２７】
オン電圧は、安価なＩＣパッケージのちょうど許容限界に電力損失を設定することができるように十分低いことと、ドライバトランジスタのオン抵抗が大きくなる（しかし許容できる）ことができるように十分高いことが好ましく、これによって、トランジスタ当たり必要なシリコンの面積は小さくなる。オン電圧の許容範囲は、ＩＣのシリコンのプロセスその他システムの各パラメータによって変化する。
【００２８】
本発明を、上述の好適な実施形態に関して説明したが、当業者には、上述の好適な実施形態の非常に多くの変形および／または追加が可能なことが容易に明白であろう。本発明の範囲は、かかる変形および／または追加のすべてに及ぶ、ということが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明によるプリンタの発射エネルギー制御装置を用いるのに適した制御エレクトロニクス／インクジェットペンシステムの図である。
【図２】 ペンに送出されるエネルギーにおける誤差の原因となる非理想的パラメータを含む、図１のシステムの電気的概略図である。
【図３】 本発明による、例示的な、好適なノズル抵抗器発射制御回路の電気的概略図である。
【図４】 本発明による、例示的な、好適な電圧調整器回路の電気的概略図である。
【符号の説明】
１０４ インクジェットペン
３００ 制御回路
３０２ ノズル抵抗器
３０４ スイッチ
３０６ 誤差増幅器
３０８ 基準電圧源
４００ 電圧調整器回路

Claims (9)

1. ノズル抵抗器を含むインクジェットペンと、
   前記ノズル抵抗器と低電圧レールの間に電気的に接続されたスイッチを含み、前記スイッチをはさむスイッチ電圧を制御するように構成された制御回路と、
   前記スイッチをはさむ電圧の降下を補償するように調節されたペン電圧を前記ノズル抵抗器に供給する調整ペン電圧源と、
   を含み、
   前記制御回路は、前記スイッチ電圧が基準電圧を超えて変動することを防止して、前記スイッチが、前記ノズル抵抗器を通る前記ペンを発射するのに十分大きい量の電流を駆動するのに十分小さいオン抵抗を保持するように構成されたインクジェットプリンタの発射エネルギー制御装置。
2. 前記制御回路は集積回路である請求項１に記載のインクジェットプリンタの発射エネルギー制御装置。
3. 前記制御回路は、前記スイッチが非飽和モードで動作するように前記スイッチ電圧を制御するように構成されている請求項１に記載のインクジェットプリンタの発射エネルギー制御装置。
4. 前記制御回路はフィードバックループを含む請求項１に記載のインクジェットプリンタの発射エネルギー制御装置。
5. 前記制御回路は、ノズル発射パルスを受け取るように構成されている請求項１に記載のインクジェットプリンタの発射エネルギー制御装置。
6. 前記制御回路は集積回路である請求項１に記載のインクジェットプリンタの発射エネルギー制御装置。
7. 前記基準電圧を十分低く設定することにより、前記スイッチによる所定量よりも多い量の電力損失を防止するようにした請求項１に記載のインクジェットプリンタの発射エネルギー制御装置。
8. 前記スイッチはトランジスタである請求項１に記載のインクジェットプリンタの発射エネルギー制御装置。
9. 前記スイッチはローサイド・ドライバ・トランジスタである請求項１に記載のインクジェットプリンタの発射エネルギー制御装置。

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