JP5929798B2 - ラージフォーマットプリンタ - Google Patents
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Description
図4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。図4に示すように、ドライバー30は、電圧ゼロを含めて7種類の電圧、詳細には低い順に電圧ゼロ(接地電圧G)、VH/6、2VH/6、3VH/6、4VH/6、5VH/6、VHを利用して電圧Voutを生成する。電圧VH/6は電源配線511を介して補助電源部50からドライバー30に供給され、同様に、電圧2VH/6、3VH/6、4VH/6、5VH/6は、電源配線512、513、514、515を介して補助電源部50から各ドライバー30に供給される。図4に示すように、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、選択部230によって制御信号COMを抜き出した制御信号Vinにしたがって圧電素子40を駆動する。
電圧Voutが電圧VH/6以上であって電圧2VH/6未満である状態(第2状態)において、コンパレーター38aの出力信号がHレベルとなり、他のコンパレーター38b〜38eの出力信号はLレベルとなる。このため、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2VH/6以上であって電圧3VH/6未満である状態(第3状態)において、コンパレーター38a、38bの出力信号がHレベルとなり、他のコンパレーター38c〜38eの出力信号はLレベルとなる。このため、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、他のレベルシフター36a、36b、36d〜36fはディセーブル状態になる。
電圧Voutが電圧3VH/6以上であって電圧4VH/6未満である状態(第4状態)において、コンパレーター38a、38b、38cの出力信号がHレベルとなり、他のコンパレーター38d、38eの出力信号はLレベルとなる。このため、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、他のレベルシフター36a〜36c、36e、36fはディセーブル状態になる。
電圧Voutが電圧4VH/6以上であって電圧5VH/6未満である状態(第5状態)において、コンパレーター38a〜38dの出力信号がHレベルとなり、他のコンパレーター38eの出力信号はLレベルとなる。このため、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、他のレベルシフター36a〜36d、36fはディセーブル状態になる。
電圧Voutが電圧5VH/6以上であって電圧VH未満である状態(第6状態)において、コンパレーター38a〜38eの出力信号はすべてがHレベルとなる。このため、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り、他のレベルシフター36a〜36dはディセーブル状態になる。
なお、第1状態から第6状態までは、電圧Voutで規定しているが、これは、圧電素子40に保持(蓄積)された電荷の状態と言い換えることができる。
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。
制御信号Vinの電圧が電圧ゼロから電圧VH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が電圧ゼロ以上電圧VH/6未満である第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VH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ゼロとなる。
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。したがって、単位回路34aのトランジスター341が第1トランジスターとして機能することになる。なお、このとき単位回路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VH/6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VH/6以上になって、第1状態から第2状態(電圧Voutが電圧VH/6以上電圧2VH/6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。したがって、単位回路34bのトランジスター341が第3トランジスターとして機能することになる。なお、このとき単位回路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、電流の供給元が電源配線511から電源配線512に切り替わる。
一方で、制御信号Vinが電圧2VH/6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2VH/6以上になる結果、第2状態から第3状態(電圧Voutが電圧2VH/6以上電圧3VH/6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、特に図示しないが、電流の供給元が電源配線513、514、515、516に段階的に切り替わる。
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。したがって、単位回路34bのトランジスター341が第2トランジスターとして機能することになる。なお、このとき単位回路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VH/6未満に下降する場合、電圧Voutも制御信号Vinに追従するので、電圧VH/6未満になって、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。
また、このとき、電流は、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→接地配線728という経路で流れて、圧電素子40から電荷が放電される。
すなわち、
電源配線512は、第2状態の充電時では電流(電荷)を供給し、第3状態の放電時では電流(電荷)を回収することになり、
電源配線513は、第3状態の充電時では電流(電荷)を供給し、第4状態の放電時では電流(電荷)を回収することになり、
電源配線514は、第4状態の充電時では電流(電荷)を供給し、第5状態の放電時では電流(電荷)を回収することになり、
電源配線515は、第5状態の充電時では電流(電荷)を供給し、第6状態の放電時では電流(電荷)を回収することになり、
電源配線516は、第6状態の充電時では電流(電荷)を供給することになり、
回収された電荷は、補助電源部50によって再分配、再利用されることなる。
以上の説明から理解される通り、素子駆動部240の各ドライバー30は、制御信号COMに応じた電荷を補助電源部50から圧電素子40に供給させる動作と制御信号COMに応じた電荷を圧電素子40から補助電源部50に放電させる動作とを実行する要素として機能する。なお、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。
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。
本実施形態において、圧電素子40を電圧ゼロから電圧VHまで充電するとき、
電圧ゼロ から電圧 VH/6まで、
電圧 VH/6から電圧2VH/6まで、
電圧2VH/6から電圧3VH/6まで、
電圧3VH/6から電圧4VH/6まで、
電圧4VH/6から電圧5VH/6まで、
電圧5VH/6から電圧 VH まで、
という6段階を経て充電される。このため、本実施形態において充電時の損失は、図11の(a)においてハッチングが付された領域の面積に相当する分で済む。詳細には、本実施形態において圧電素子40において充電時の損失は、電圧ゼロから電圧VHまで一気に充電するリニア増幅と比較して、6/36(=16.7%)で済む。
一方、本実施形態では、放電時においても段階的となるので、放電時の損失は、図11の(b)においてハッチングが付された領域の面積に相当する分で示されるように、電圧VHから電圧ゼロまで一気に放電するリニア方式と比較して、同様に6/36(=16.7%)で済む。
ただし、本実施形態では、放電時の損失として計上された電荷のうち、電圧VH/6から電圧ゼロまで放電する場合を除き、後述する補助電源部50に回収されて再分配、再利用されるので、さらなる低消費電力化を図ることができる。
図12は、補助電源部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、補助電源部50は、スイッチSw1d、Sw1u、Sw2d、Sw2u、Sw3d、Sw3u、Sw4d、Sw4u、Sw5d、Sw5uと、容量素子C12、C23、C34、C45、C56、C1、C2、C3、C4、C5、C6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、補助電源部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、FFC70を介して制御ユニット10から供給しても良い。
一方、容量素子C12、C23、C34、C45、C56は電荷移動用であり、容量素子C1、C2、C3、C4、C5はバックアップ用である。なお、容量素子C6は、電源電圧VHの供給用である。
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についても形成される構成が望ましい。
なお、スイッチSw5u、Sw4u、Sw3u、Sw2u、Sw1uの各端子bは、スイッチSw1dの端子aとともに、容量素子C1の一端に接続される。また、容量素子C6、C5、C4、C3、C2、C1の各他端と、スイッチSw5d、Sw4d、Sw3d、Sw2d、Sw1dの各端子bとは、接地配線728に共通に接続される。
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、補助電源部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C56、C45、C34、C23、C12、C1が配線726(電圧VH)から接地配線728(接地電圧G)までの間で直列に接続される。状態Bでは、容量素子C56、C45、C34、C23、C12、C1の一端同士が接続されるので、これらの容量素子は並列に接続されて、保持電圧が均等化される。
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C1〜C5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ので、補助電源部50の全体でみれば、電圧VH/6、2VH/6、3VH/6、4VH/6、5VH/6に保つようにバランスする。なお、吐き出される電荷が容量素子C56、C45、C34、C23、C12、C1にで吸収できずに余ったとき、余った電荷は、容量素子C6に吸収される、すなわち電源系へに回生される。このため、圧電素子40以外の他の負荷があれば、その負荷の駆動に用いられる。他の負荷がなければ、容量素子C6を含む他の容量素子に吸収されるので、電源電圧VHが上昇する、すなわちリップルが発生することになるが、容量素子C6を含めてカップリングコンデンサの容量を大きくすることによって実用的には回避できる。以上の説明から理解される通り、補助電源部50(容量素子C1、C2、C3、C4、C5)は、各ドライバー30(各圧電素子40)に電荷を供給する要素(電荷供給源)として機能する。
電源電圧VHの振幅は、圧電素子40の個別性能に合わせて設定されるべき性質を有する。このため、性能が高い(高効率の)圧電素子40については、図14の(a)においてランクAで示されるように比較的低振幅で駆動すれば良い。これに対し、性能が低い(低効率の)圧電素子40については、ランクBで示されるように比較的大振幅で駆動する必要がある。
ランクA、Bの双方の圧電素子40を駆動するために、ランクBに合わせて電圧VHを高い状態で固定化してしまうと、損失が増える。特に、低振幅で足りるランクAを駆動するときに無駄が多い。
そこで、図14の(b)に示されるように、圧電素子40の性能(効率)に合わせて適切に電圧VHに設定すると、特にランクAを駆動するときでも、無駄な損失を抑えることができる。
このため、スイッチの切り替え時には、一旦、端子a、bのいずれにも接続しない中立状態を経て、上記短絡の発生を抑える構成が好ましい。以上が補助電源部50の構成である。
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。
図18は、実施形態の応用例(その1)に係るドライバー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、この応用例では、圧電素子40の一端の電圧Voutがオペアンプ32の入力端(−)に負帰還される構成となっている。この構成では、制御信号Vinの電圧と電圧Voutとが相違するときに、その相違をなくす方向にトランジスター341、342が制御される。このため、レベルシフター36a〜36fやトランジスター341、342の応答特性が悪い場合でも、制御信号Vinに電圧Voutを比較的迅速に、高精度に追従させることができる。
なお、負帰還量については、レベルシフター36a〜36fやトランジスター341、342の特性に合わせて適切に設定可能な構成が好ましい。例えば、図の例では、オペアンプ32は、制御信号Vinの電圧から電圧Voutを差し引いた電圧を出力する構成であるが、この差し引いた電圧に適切な係数を乗算してレベルシフター36a〜36fに供給する構成としても良い。
MOSFET351、352を用いる場合、各ドレイン端子と圧電素子40の一端との間に、それぞれ逆流防止用のダイオードを設ければ良い。また、MOSFET351、352を用いる場合、レベルシフター36a〜36fについては、イネーブル状態にあれば、制御信号Vinの電圧をマイナス方向に所定値として閾値電圧に相当する分だけシフトさせてPチャネル型のMOSFET351のゲート端子に供給する一方、制御信号Vinの電圧をプラス方向に閾値電圧に相当する分だけシフトさせてNチャネル型のMOSFET352のゲート端子に供給する構成となる。
また、MOSFET351、352を用いる場合に、図18に示したような、電圧Voutを負帰還する構成を適用しても良い。
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、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、7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、単位回路の段数は、これに限られず、2段以上であれば良い。また、電圧については、必ずしも等間隔である必要はない。
実施形態では、例えばコンパレーター38aの判別結果が偽(出力信号がLレベル)であれば、第1状態であると検出し、コンパレーター38aの判別結果が真(出力信号がHレベル)であって、かつ、コンパレーター38bの判別結果が偽であれば、第2状態であると検出する構成であった。すなわち、第1状態、第2状態を検出する構成は、それぞれ別体ではなく、一部重複する構成であって、第1状態から第6状態までをコンパレーター38a〜38eの全体で検出する構成であった。これに限られず、各状態を個別に検出する構成であっても良い。
実施形態において、ディセーブル状態のレベルシフター36a〜36fは、トランジスター341(351)のベース(ゲート)端子に電圧ゼロを供給し、トランジスター342(352)のベース(ゲート)端子に電圧VHを供給する構成としたが、トランジスター341、342をオフさせることができれば、これに限定されない。例えば、レベルシフター36a〜36fは、ディセーブル状態のときに、制御信号Vinの電圧をプラス方向に所定値だけシフトさせたオフ信号を、トランジスター341(351)のベース(ゲート)端子に供給し、制御信号Vinの電圧をマイナス方向に所定値だけシフトさせたオフ信号を、トランジスター342(351)のベース(ゲート)端子に供給する構成としても良い。
この構成によれば、トランジスター341(351)、342(352)の耐圧が低くて済むので、半導体基板に形成するときのトランジスターサイズを小さくすることができる。
Claims (6)
- 記録媒体に液滴を吐出するラージフォーマットプリンタであって、
A2サイズ以上の大判サイズの紙幅を可動式のキャリッジと、
前記キャリッジに設置され、液体を吐出するノズルと、前記ノズルに連通する圧力室と、前記圧力室毎に設けられる圧電素子とを含む吐出部が複数並べて配置された印刷ヘッドと、
前記キャリッジ外に設置され、制御信号を生成する制御信号供給部が設置された第1回路基板と、
前記キャリッジ上に設置され、前記各圧電素子を前記制御信号に応じて充電または放電する回路が設置された第2回路基板と、
前記制御信号を前記第1回路基板から前記第2回路基板に伝送する制御配線と前記第2回路基板に電源電圧および接地電圧を供給する配線とを含む複数の配線が形成されたA2サイズ以上の大判サイズの紙幅よりも長いフレキシブルフラットケーブルとを具備し、
前記第2回路基板は、圧電素子毎に設けられた接続経路選択部を含み、
前記接続経路選択部は、前記制御信号に応じて選択的に前記圧電素子に供給する直列に接続された複数のトランジスター対を含み、
前記第1回路基板と前記第2回路基板との間の前記複数の配線の経路長の合計は、前記第2回路基板と前記各圧電素子との間の配線の経路長の合計よりも短い
ラージフォーマットプリンタ。 - 前記第2回路基板には、複数の電圧を生成する昇圧回路を含み、
前記接続経路選択部は、前記複数の電圧を前記制御信号に応じて選択的に前記圧電素子に供給する
請求項1のラージフォーマットプリンタ。
印刷装置。 - 前記接続経路選択部は、前記昇圧回路が生成した第1電圧が印加された第1信号経路と、前記昇圧回路が生成した、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昇圧回路とを電気的に接続する
請求項2のラージフォーマットプリンタ。 - 前記第2回路基板に設置され、前記圧電素子の保持電圧が前記第1電圧未満であるか否か、または、前記第1電圧以上前記第2電圧未満であるか否かを検出する検出部
を具備する請求項3のラージフォーマットプリンタ。 - 前記接続経路選択部は、
前記第1電圧未満においては、
前記第1信号経路を介して前記圧電素子に充電される電荷を、前記制御信号の電圧にしたがって制御し、
前記第1電圧以上前記第2電圧未満においては、
前記第1信号経路を介して前記圧電素子から放電される電荷、または、前記第2信号経路を介して前記圧電素子に充電される電荷を、前記制御信号の電圧に応じて制御する
請求項3または請求項4のラージフォーマットプリンタ。 - 前記キャリッジは、前記記録媒体が搬送される副走査方向に交差する主走査方向に移動する
請求項1から請求項5の何れかのラージフォーマットプリンタ。
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