JP4417774B2 - サーマルプリンタ - Google Patents

Description

本発明はサーマルヘッドの発熱により記録を行なうサーマルプリンタに係り、特に、搬送機構で記録媒体を移動させつつサーマルヘッドの発熱素子を選択的に通電して発熱させて記録を行なうサーマルプリンタに関する。

行単位で印刷するサーマルプリンタは、複数の発熱素子を有するライン状のサーマルヘッドを有し、サーマルヘッドの発熱素子を選択的に通電して発熱させてライン毎に印刷しながら、搬送機構を駆動するステッピングモータを制御して、用紙を順次移動させて用紙全体に文字、画像などを印刷している。カラー印刷の場合、まず最初の原色（例えばシアン）で用紙全体に印刷した後、用紙を戻し、次の原色で用紙全体に印刷し、再び用紙を戻すという作業を繰り返すことでカラーの画像を印刷していた。

サーマルプリンタにおいて、電源からの電力を消費する主要な部品は、熱源として複数の発熱素子を有するサーマルヘッドと搬送機構の駆動源であるステッピングモータであった（特許文献１及び２）。ＣＰＵ（Central Processing Unit）やメモリ等のシステム系についても別途電源が必要であるが、システム系に必要な電力はサーマルヘッドやステッピングモータに比べて少ないので、本明細書では詳述しない。

サーマルヘッドに電圧を供給するヘッド電源は、印刷時において、印刷される出力情報に応じて発熱素子を選択して通電するため、発熱素子の電気抵抗値に応じて電圧を一定の範囲（例えば１２〜１５Ｖ）の中で調節して供給する必要がある。

他方、搬送機構は、印刷時及び非印刷時の何れの場合においても用紙を搬送していたが、印刷時には印刷速度に合わせて一定速度で用紙を搬送し、非印刷時には印刷時間を短くするために印刷時よりも高速で用紙を搬送していた（特許文献２）。このため、ステッピングモータに電圧を供給するモータ電源は、印刷中に用紙を搬送するための印刷時搬送用の電圧と、非印刷時において用紙を搬送するための高速搬送用の電圧を供給していた。

つまり、サーマルプリンタの印刷時においては、サーマルヘッドには印刷される出力情報に応じた電圧が、モータには一定速度で用紙を搬送する、換言すればモータのパルス周波数を一定（例えば２０００ｐｐｓ）で駆動する電圧が印加されることになる。この時、サーマルヘッドに対して充分な電力が供給されないと印刷が良好に行われないため、モータにおける消費電力はできるだけ少なくする必要があった（特許文献１）。

従来のモータは、定電圧駆動方式が採用されており、パルス周波数に対して最適な電圧における消費電力は少ないが、その最適電圧よりも高電圧が付与されると、電流の値も比例して増加し、消費電力が急激に大きくなってしまっていた。

表１は、定電圧駆動方式のモータを２０００ｐｐｓ及び４０００ｐｐｓのパルス周波数で駆動した時の電流及び消費電力を印加電圧毎に示したものである。

表１から、モータは、１２Ｖの時は１．４４Ｗの消費電力で駆動することができるが、１５Ｖの時は消費電力が２．２５Ｗに、１８Ｖの時は消費電力が３．２４Ｗになり、消費電力がそれぞれ１２Ｖの時の１．５６倍及び２．２５倍に増加することが判る。

このため、印刷時において、ヘッド電源から供給される一定の範囲で変化する電圧をモータ電源として利用することは、消費電力が大きくなるため採用できず、モータ電源は、ヘッド電源とは別に設けられていた。そして、モータ電源は、印刷時において、パルス周波数に対して最適な電圧（例えば２０００ｐｐｓのパルス周波数の時は１２Ｖ）を固定して供給することで、消費電力を少なくしているのである。

また、非印刷時においては、用紙を高速に搬送させるため、モータのパルス周波数を高めるが、定電圧駆動方式のモータにおいては、必要なトルクを得るために印加する電圧を高める必要がある。

印刷時、ステッピングモータをパルス周波数２０００ｐｐｓで駆動させた時は、０．８ｍＮ・ｍのトルクがあれば用紙を搬送できるが、ばらつきとして３０％のマージンを取ると、必要なトルクは１．１５ｍＮ・ｍ以上である。非印刷時、ステッピングモータをパルス周波数４０００ｐｐｓで駆動させた時は、０．７ｍＮ・ｍのトルクがあればよいが、同様に、ばらつきとして３０％のマージンを取ると、必要なトルクは１．００ｍＮ・ｍ以上である。

図４は、１２Ｖと１８Ｖを印加した時の定電圧駆動方式のモータのトルク（単位：ｍＮ・ｍ）とパルス周波数（単位：ｐｐｓ）の関係を示すものである。図４に示すように、定電圧駆動方式のモータは、印加電圧が１２Ｖの場合、印刷時のパルス周波数である２０００ｐｐｓにおいては１．１５ｍＮ・ｍ以上のトルクがあるが、パルス周波数が増加するとトルクが減少し、パルス周波数４０００ｐｐｓにおいては１．００ｍＮ・ｍよりもトルクが小さくなる。このため、パルス周波数４０００ｐｐｓにおいては印加電圧を１８Ｖとして、１．００ｍＮ・ｍ以上のトルクを得ている。なお、パルス周波数４０００ｐｐｓのモータを１８Ｖの印加電圧で駆動した時の消費電力は、表１から２．１６Ｗである。

特開平５−１６４１１号公報（段落０００３〜０００５） 特公平７−４５２５１号公報

前述したとおり、従来のサーマルプリンタは、ヘッド電源及びモータ電源を２系統に分けざるを得なかったが、これらの電源としては、所望の電圧を安定して供給する必要があるため、一次電源からの電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ回路を用いて所望の電圧まで昇圧し、安定した電源を得ていた。

特に、近年、携帯型のパーソナルコンピュータの普及により、携帯用のサーマルプリンタの需要も高まっているが、携帯用のサーマルプリンタにおいては、直接電池からの電圧を電源として供給すると、電圧が変動してしまい印刷濃度や搬送速度にムラが生じてしまうため、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路が必須であった。

このため、従来のサーマルプリンタでは、ヘッド電源のＤＣ／ＤＣコンバータ回路とモータ電源のＤＣ／ＤＣコンバータ回路を別々に設けていたので、ＤＣ／ＤＣコンバータ回路の占有面積が広くなり回路基板が大きくなってしまった。また、部品点数も増えるためコストが高くなっていた。特に、携帯用のサーマルプリンタにおいては小型化及び軽量化のため、回路基板を小さくすることが求められていた。

他方で、消費電力を少なくするという課題があり、特に、携帯用のサーマルプリンタにおいては、電源として電池を使用するため、消費電力が多くなることは避けなければならなかった。

本発明は前述した点に鑑みてなされたもので、消費電力の増加を抑えて、回路基板を小さくし、部品点数を少なくしたサーマルプリンタを提供することを目的とするものである。

前記目的を達成するため本発明のサーマルプリンタは、サーマルヘッドと、用紙を搬送するための定電流駆動方式のモータと、印刷時に、印刷情報に応じて調節された電圧を前記サーマルヘッド及び前記モータに印加し、非印刷時に、搬送用の固定電圧を前記モータに印加する電源回路と、この電源回路に電圧を供給する電池とを有し、前記印刷時に前記モータに印加される前記電圧の変動にともなう消費電力の増加を抑制可能とされてなることを特徴とする。

また、本発明のサーマルプリンタは、前記固定電圧が、前記サーマルヘッドの耐圧電圧よりも低いことが好ましい。

本発明のサーマルプリンタにおいては、印刷時に、印刷情報に応じて調節された電圧をサーマルヘッド及びモータに印加し、非印刷時に、搬送用の固定電圧をモータに印加することで、駆動系電源回路を一つにして回路基板を小さくすることができ、部品点数を少なくすることができ、加えて定電流駆動方式のモータを利用することで消費電力の増加を抑えることができる。

更に、本発明のサーマルプリンタにおいて、搬送用の固定電圧が、サーマルヘッドの耐圧電圧よりも低いと、万一サーマルヘッドに対して搬送用の固定電圧が印加されたとしても、サーマルヘッドを損傷することがない。

更に、本発明のサーマルプリンタにおいて、電源回路に電圧を供給する電源が電池の場合、携帯用として用いられるので、駆動系電源回路を一つにして回路基板を小さくすることができるから、小型化及び軽量化をすることができる。更に、電力が限られている電池を電源として用いたサーマルプリンタにおいて、消費電力の増加を抑えることができることは、非常に有効である。

以下、本発明の実施形態を図１乃至図３を参照して説明する。図１は、本発明のサーマルプリンタにおける概略構成を示すブロック図である。図１に示すように、本発明のサーマルプリンタ１は、電源２、駆動系電源回路３、システム系電源回路４、サーマルヘッド６、搬送機構８、システム系１０を有している。

本発明のサーマルプリンタ１は、印刷の方式として、インクシートを介してサーマルヘッド６によって印画を行なう熱転写式や、感熱紙に対してサーマルヘッド６によって印画を行なう感熱式を採用することができる。

電源２は、駆動系電源回路３及びシステム系電源回路４に電圧を供給するものであり、特に制限されるものではない。本発明のサーマルプリンタ１が、携帯用の場合には、電源２として通常の乾電池を含めて種々の電池が使用される。

駆動系電源回路３は、サーマルヘッド６を駆動する電圧範囲において変化の電圧Ｖ１と、用紙を搬送するための固定電圧Ｖ２を供給することができる。そして、駆動系電源回路３は、印刷時に、印刷情報に応じて調節された電圧Ｖ１をサーマルヘッド６及び搬送機構８のモータに印加し、非印刷時に、搬送用の固定電圧Ｖ２を搬送機構８のモータに印加する。

サーマルヘッド６を駆動する電圧範囲は、通常１２〜１５Ｖに設定している。搬送用の固定電圧Ｖ２は、印刷時よりも高速で用紙を搬送できるようにすることが好ましく、モータのパルス周波数とトルクの特性によって適宜設定される。搬送用の固定電圧Ｖ２として、サーマルヘッド６の耐圧電圧よりも低いことが好ましい。サーマルヘッドの耐圧は３０Ｖ以上であり、通常、搬送用の固定電圧Ｖ２として、１８Ｖ程度に設定している。

背景技術において述べたサーマルヘッド及びモータを例にとれば、駆動系電源回路３は、１２〜１５Ｖの範囲で調節可能な電圧Ｖ１と、１８Ｖの固定電圧Ｖ２を供給することになる。

システム系電源回路４については、従来のサーマルプリンタと同様の構成であり、システム系１０に対してシステム電圧Ｖ３を供給する。システム電圧Ｖ３は３．３Ｖ程度である。システム系１０は、ＣＰＵやメモリ等から構成され、サーマルヘッド６に印刷情報信号を供給したり、搬送機構８に搬送情報信号を供給する。

サーマルヘッド６は、複数の発熱素子を有しており、印刷情報に応じて発熱素子を選択的に通電して発熱させて印刷する。

搬送機構８は、用紙を搬送するためのものであり、モータ、プラテン、ローラなどから構成されている。本発明のサーマルプリンタにおいて搬送機構８のモータは、定電流駆動方式のモータが使用され、印刷時において印刷情報に応じて調節された電圧Ｖ１が印加され、非印刷時において搬送用の固定電圧Ｖ２が印加される。

定電流駆動方式のモータは、パルス周波数に対して最適な電圧における消費電力は定電圧駆動方式よりも大きいが、その最適電圧よりも高電圧になると定電圧駆動方式よりも消費電力が少なくなる。

表２は、定電流駆動方式のモータを２０００ｐｐｓ及び４０００ｐｐｓのパルス周波数で駆動した時の電流及び消費電力を印加電圧毎に示したものである。

表２から、パルス周波数２０００ｐｐｓの時の１２Ｖや４０００ｐｐｓの時の１８Ｖのように、最適な電圧における定電流駆動方式のモータの消費電力は、それぞれ１．５０Ｗ及び２．２５Ｗであり、表１に示された定電圧駆動方式における１．４４Ｗ及び２．１６Ｗに比べて若干ではあるが消費電力は大きくなっていることが判る。しかしながら、表２から、定電流駆動方式のモータは、２０００ｐｐｓの時の１５Ｖや１８Ｖのように最適な電圧よりも高電圧になっても、消費電力が１．７４Ｗ及び１．９５Ｗであり、表１に示された定電圧駆動方式における２．２５Ｗ及び３．２４Ｗに比べて非常に少なくなっていることが判る。これは、定電流駆動方式が、モータ内を流れる電流を一定にするため、印加電圧が高くなっても過剰な電流を遮断しているからである。

よって、定電流駆動方式のモータは、最適な電圧である１２Ｖの時では定電圧駆動方式よりも僅かに消費電力が増加するが、１２Ｖよりも高電圧になった時では定電圧駆動方式よりも著しく消費電力を低下できるので、印加電圧Ｖ１が変動しても消費電力の増加を抑えることができる。

前述したが、印刷時、ステッピングモータをパルス周波数２０００ｐｐｓで駆動させた時は、０．８ｍＮ・ｍのトルクがあれば用紙を搬送できるが、ばらつきとして３０％のマージンを取ると、必要なトルクは１．１５ｍＮ・ｍ以上である。非印刷時、ステッピングモータをパルス周波数４０００ｐｐｓで駆動させた時は、０．７ｍＮ・ｍのトルクがあればよいが、同様に、ばらつきとして３０％のマージンを取ると、必要なトルクは１．００ｍＮ・ｍ以上である。

図２は、１２Ｖと１８Ｖを印加した時の定電流駆動方式のモータのトルク（単位：ｍＮ・ｍ）とパルス周波数（単位：ｐｐｓ）の関係を示す。図２に示すように、定電流駆動方式のモータは、印加電圧が１２Ｖの場合、印刷時のパルス周波数である２０００ｐｐｓにおいては１．１５ｍＮ・ｍ以上のトルクがあり、パルス周波数が増加してもトルクの減少は小さい。しかし、パルス周波数４０００ｐｐｓにおいては１．００ｍＮ・ｍよりもトルクが小さくなるため、パルス周波数４０００ｐｐｓにおいては印加電圧を１８Ｖとして、１．００ｍＮ・ｍ以上のトルクを得ている。

そして、定電流駆動方式のモータに対して、パルス周波数２０００ｐｐｓで駆動した場合、モータのステップ時間は５００μｓ／ステップであり、パルス周波数４０００ｐｐｓで駆動した場合、モータのステップ時間は２５０μｓ／ステップであった。このように、定電流駆動方式のモータにおいても、印刷時に比べて搬送時は、ステップ当りの時間が短くなり高速で用紙を搬送することができる。

図３（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明のサーマルプリンタ１における駆動系電源回路３からサーマルヘッド６及び搬送機構８に印加される電圧のタイミングチャートであり、図３（Ｃ）は、サーマルプリンタ１の消費電力を示す。

まず、期間Ｔ１において、搬送機構８に電圧Ｖ１を印加して、用紙を間に介した状態でサーマルヘッド６とプラテンを圧接させる。必要に応じて用紙と一緒にインクシートもサーマルヘッド６とプラテンの間に挟む。

次に、期間Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４において、搬送機構８に電圧Ｖ１を印加して、ステッピングモータによりローラを回転させて用紙を搬送する。用紙の搬送は、期間Ｔ２の加速段階、期間Ｔ３の印刷段階、期間Ｔ４の減速段階からなっている。期間Ｔ３の印刷段階において電圧Ｖ１は、印刷情報に応じて調節され、搬送機構８だけではなくサーマルヘッド６にも印加される。そして、サーマルヘッド６によって用紙に印刷情報を印刷する。

更に、印刷後の期間Ｔ５において、搬送機構８に電圧Ｖ１を印加して、サーマルヘッド６とプラテンの圧接を解除する。

その後、期間Ｔ６において、搬送機構８に固定電圧Ｖ２を印加して、用紙を高速で搬送する。ここで、カラー画像を印刷する場合は、用紙を最初の位置に戻して、再び期間Ｔ１からの工程を繰り返す。

そして、期間Ｔ１〜Ｔ２及びＴ４〜Ｔ５では、電圧Ｖ１が印加された搬送機構８によって電力が消費され、期間Ｔ３では電圧Ｖ１が印加されたサーマルヘッド６における消費が搬送機構８による消費に加算される。期間Ｔ６では、固定電圧Ｖ２が印加された搬送機構８によって電力が消費されている。なお、図３においては、期間Ｔ３の電圧Ｖ１及び消費電力を一定としているが、実際には印刷情報に応じて増減する。

以上のとおり、本発明のサーマルプリンタは、印刷時にサーマルヘッドへ印加される電圧を用いて定電流駆動方式のモータを駆動することで、消費電力の増加を抑えつつ、駆動系電源回路３を一つにすることができるのである。

なお、本発明は、前記実施の形態に限定されるものではなく、必要に応じて種々の変更をすることができる。

本発明のサーマルプリンタにおける概略構成を示すブロック図 定電流駆動方式のモータのトルクとパルス周波数の関係を示す図 （Ａ）及び（Ｂ）は本発明のサーマルプリンタにおけるサーマルヘッド及び搬送機構に印加される電圧のタイミングチャート、（Ｃ）は消費電力を示す図 定電圧駆動方式のモータのトルクとパルス周波数の関係を示す図

符号の説明

１ サーマルプリンタ
２ 電源
３ 駆動系電源回路
６ サーマルヘッド
８ 搬送機構

Claims (2)

1. サーマルヘッドと、
   用紙を搬送するための定電流駆動方式のモータと、
   印刷時に、印刷情報に応じて調節された電圧を前記サーマルヘッド及び前記モータに印加し、非印刷時に、搬送用の固定電圧を前記モータに印加する電源回路と、
   この電源回路に電圧を供給する電池と
   を有し、前記印刷時に前記モータに印加される前記電圧の変動にともなう消費電力の増加を抑制可能とされてなることを特徴とするサーマルプリンタ。
2. 前記固定電圧は、前記サーマルヘッドの耐圧電圧よりも低いことを特徴とする請求項１に記載のサーマルプリンタ。