JP6380773B2

JP6380773B2 - 液体吐出装置

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Publication number: JP6380773B2
Application number: JP2017061305A
Authority: JP
Inventors: 透樫村; 博司杉田
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2017-03-27
Filing date: 2017-03-27
Publication date: 2018-08-29
Anticipated expiration: 2033-08-30
Also published as: JP2017105220A

Description

本発明は、アクチュエーターに駆動信号を印加して液体を噴射する液体噴射装置およびヘッドユニットに関し、例えば微小な液体を液体噴射ヘッドのノズルから噴射して、微粒子（ドット）を印刷媒体上に形成することにより、所定の文字や画像等を印刷するようにした液体噴射型印刷装置に好適なものである。

液体吐出装置の一例として、ヘッドに設けられたノズルから記録媒体に向けてインク（液体）を吐出するインクジェットプリンターが知られている。一般的に、ヘッドには多数のノズルが所定方向に並んだノズル列が形成されており、例えば、ヘッドの走査方向と記録媒体の搬送方向とが交差する方向に相対移動しながらヘッドがインクを吐出することによりノズル列幅の画像が印刷されるシリアルヘッド方式や、特許文献１に記されているような、印刷媒体の搬送方向と交差する方向にノズルを列状に配置し、印刷媒体がその下方を通過するときに画像が印刷されるラインヘッド方式等が知られている。

特開２０１１−５７３３号公報

ここで、特許文献１には、平滑フィルターとして、１つのコンデンサーＣとコイルＬからなる２次のフィルターを用いることが例示されているが、どのようなコイルＬを用いるべきかについて記載はない。

デジタル電力増幅回路からの増幅変調信号を平滑化するのに用いられるコイルは、一般に発熱・損失が大きくなる傾向があり、発熱・損失を抑えたコイルを選択することは、液体噴射型印刷装置の設計における１つの大きな課題である。特に、プリンターでは、十分な品質および解像度を有する印刷物を得るために、ＭＨｚオーダーといった高い周波数の増幅変調信号が用いられることから、他の電子機器（例えば、一般のオーディオ機器は、３２ｋＨｚ〜４００ｋＨｚ程度の周波数を用いる）におけるコイルの選択手法をそのまま用いることは困難である。

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、例えばインクジェットプリンターといった高い周波数の増幅変調信号が用いられる液体噴射型印刷装置において、増幅変調信号を平滑化する際の発熱・損失を抑えることができる変換効率の高いコイルを選択可能にし、低消費電力の液体噴射型印刷装置や同装置に用いられるヘッドユニットを提供することを目的とする。

（１）本発明の液体吐出装置は、元駆動信号をパルス変調して変調信号を生成する信号変調部と、前記変調信号を増幅して増幅変調信号を生成する信号増幅部と、前記増幅変調信号を平滑化して駆動信号を生成するコイルと、前記駆動信号が印加されることで変形する圧電素子と、前記圧電素子の変形によって膨張または収縮するキャビティと、前記キャビティに連通し、前記キャビティ内の圧力の増減により液体を吐出するノズルと、を有し、前記コイルのコア材は、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトであることを特徴とする。

液体吐出装置では、信号増幅部（例えばデジタル電力増幅回路）で生成される高い周波数の増幅変調信号がコイルに入力される。そのため、コイルの発熱や消費電力を増大させる要因として、銅損（線材の損失）よりも鉄損（コア材の損失）が支配的であることが多い。本発明の液体吐出装置は、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトをコア材とするコイルを用いるため、鉄損の多くを占める渦電流損を抑えることが可能である。鉄損を抑えて発熱や消費電力を増大させず、高い変換効率を得ることができるコイルを用いるので、本発明の液体吐出装置は低消費電力を実現できる。

なお、元駆動信号とは、圧電素子の変形を制御する駆動信号の元となる信号、すなわち変調前の信号であって波形の基準となる信号である。変調信号とは、元駆動信号をパルス変調（例えばパルス幅変調、パルス密度変調等）して得られるデジタル信号であり、信号変調部とは、そのパルス変調を行う変調回路である。信号増幅部とは、例えばハーフブリッジ出力段を備えるデジタル電力増幅回路であって、増幅変調信号とは、信号増幅部で増幅された変調信号である。駆動信号とは、コイルを用いて増幅変調信号を平滑化して得られる信号であって、圧電素子に印加される。

（２）また、前記増幅変調信号の交流成分の周波数帯域は、１ＭＨｚ以上であることを特徴としてもよい。

本発明の液体吐出装置では、増幅変調信号を平滑化して駆動信号を生成し、駆動信号が印加される圧電素子の変形に基づいてノズルから液体を吐出する。ここで、液体吐出装置が小さなドット（小ドット）を吐出するための駆動信号の波形を周波数スペクトル解析すると、５０ｋＨｚ以下の周波数成分が含まれていることが解っている。この５０ｋＨｚの周波数成分を含む元駆動信号をデジタル電力増幅回路（信号増幅部が対応）で増幅するためには、１ＭＨｚ以上の周波数成分を含む変調信号（増幅変調信号）が必要になる。もし、１ＭＨｚ以下の周波数成分のみで元駆動信号を再現しようとすると、波形のエッジが鈍って丸くなってしまう。換言すれば、角が取れて波形が鈍ってしまう。駆動信号の波形が鈍ると、波形の立ち上り、立ち下りエッジに応じて動作する圧電素子の動きが緩慢になり、吐出時の尾引きや、吐出不良などの不安定な駆動が発生してしまう。本発明の液体吐出装置は、増幅変調信号の交流成分の周波数帯域を１ＭＨｚ以上とするので、吐出時の尾引きや吐出不良などの不安定な駆動がなく、解像度の高い生成物を得られる液体吐出装置を実現できる。

（３）また、前記増幅変調信号の交流成分の周波数帯域は、８ＭＨｚ未満であることを特徴としてもよい。

増幅変調信号の周波数として、８ＭＨｚ以上の高周波をサポートすれば、駆動信号の波形の分解能は高まるが、分解能の向上に伴いデジタル電力増幅回路（信号増幅部が対応）におけるスイッチング周波数が上昇する。スイッチング周波数が上昇するとスイッチング損失が大きくなり、デジタルアンプがＡＢ級アンプと比して優位性を有する省電力性、省発熱性が損なわれて、ＡＢ級アンプによる増幅の方がよい場合がある。本発明の液体吐出装置は、増幅変調信号の交流成分の周波数帯域を８ＭＨｚ未満とするので、ＡＢ級アンプを使用する場合と比べての低消費電力、省発熱といった優位性を保つことができる。

（４）また、前記コイルは、４ＭＨｚ動作させた場合の、コアの損失と線材の損失とを含む抵抗成分が２００ｍΩ未満となることを特徴としてもよい。

Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトをコア材とするコイルでは、銅損（線材の損失）と鉄損（コアの損失）とを含む抵抗成分と、消費電力との間に相関関係がある。この液体吐出装置は、４ＭＨｚ動作させた場合に、この抵抗成分が２００ｍΩ未満となるコイルを選択すること
で、さらに低消費電力を実現できる。なお、４ＭＨｚ動作とは、周波数４ＭＨｚのパルス信号をコイルに与えることである。

（５）また、前記信号変調部は、前記駆動信号を帰還させて前記変調信号を生成することを特徴としてもよい。

この液体吐出装置は、駆動信号を帰還させ、駆動信号の遅延要素に基づいて、基本変調動作がＰＤＭ（Pulse-Density Modulation）方式と同じである変調信号を生成できる。このとき、遅延要素の値が小さいほど、生成される変調信号の周波数を高くでき、波形再現性が向上する。この液体吐出装置は、例えばエラーアンプ等によって位相進み補正を行うことで、駆動信号の遅延要素の値を減少させることが可能である。よって、この液体吐出装置は、駆動信号を帰還させて、波形再現性のよい変調を実現できる。

（６）本発明のヘッドユニットは、駆動信号が印加されることで変形する圧電素子と、前記圧電素子の変形によって膨張または収縮するキャビティと、前記キャビティに連通し、前記キャビティ内の圧力の増減により液体を吐出するノズルと、を有し、前記圧電素子は、コア材がＭｎ−Ｚｎ系フェライトであるコイルによって、増幅変調信号を平滑化して生成される駆動信号が印加されることを特徴とする。

このヘッドユニットは、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライトをコア材とするコイルによって生成された駆動信号が印加される圧電素子を含む。よって、このヘッドユニットを含む液体吐出装置は、鉄損を抑えて発熱や消費電力を増大させず、高い変換効率を得ることができるコイルを用いるので、低消費電力を実現できる。

印刷システムの全体構成を示すブロック図である。プリンターの概略断面図である。プリンターの概略上面図である。ヘッドの構造を説明するための図である。駆動信号生成部からの駆動信号ＣＯＭおよびドット形成に用いられる制御信号を説明するための図である。ヘッド制御部の構成を説明するブロック図である。駆動信号ＣＯＭの生成までの流れを説明する図である。駆動信号生成部等の詳細ブロック図である。コア材の種類によるＲｓの違いを説明する図である。Ｒｓにおける鉄損と銅損の比率を説明する図である。図１１（Ａ）はヒステリシス損と渦電流損の比率を説明する図であり、図１１（Ｂ）は渦電流を説明するための図である。図１２（Ａ）、図１２（Ｂ）はＭｎ−Ｚｎ系フェライトのコア材を用いたコイルのＲｓと消費電力との相関関係を説明するための図である。図１３（Ａ）はコイルの外観平面図、図１３（Ｂ）、図１３（Ｃ）は図１３（Ａ）のＡ−Ａ断面図であって、コアギャップおよびコイルの巻数を説明するための図である。コアギャップ、コイルの巻数の違いによる、周波数−Ｒｓ特性の変化を例示する図である。元駆動信号のスペクトル解析図である。

１．印刷システムの構成
本発明の液体噴射装置の実施形態として、液体噴射型印刷装置に適用されたものについ
て説明する。

図１は、本実施形態の液体噴射型印刷装置（プリンター１）を含む印刷システムの全体構成を示すブロック図である。後述するように、プリンター１は用紙Ｓ（図２、図３参照）が所定の方向に搬送され、その搬送途中の印刷領域で印刷される、ラインヘッドプリンターである。

プリンター１はコンピューター８０と通信可能に接続されており、コンピューター８０内にインストールされているプリンタードライバーが、プリンター１に画像を印刷させるための印刷データを作成し、プリンター１に出力する。プリンター１は、コントローラー１０と、用紙搬送機構３０と、ヘッドユニット４０と、検出器群７０と、を有する。なお、後述するようにプリンター１は複数のヘッドユニット４０を含んでもよいが、ここでは、１つのヘッドユニット４０を代表させて図１に示して説明する。

プリンター１内のコントローラー１０は、プリンター１における全体的な制御を行うためのものである。インターフェース部１１は、外部装置であるコンピューター８０との間でデータの送受信を行う。そして、インターフェース部１１は、コンピューター８０から受け取ったデータのうち、印刷データ１１１をＣＰＵ１２に出力する。印刷データ１１１は例えば画像データ、印刷モードを指定するデータ等を含む。

ＣＰＵ１２は、プリンター１の全体的な制御を行うための演算処理装置であり、駆動信号生成部１４、制御信号生成部１５、搬送信号生成部１６を介してヘッドユニット４０、用紙搬送機構３０を制御する。メモリー１３は、ＣＰＵ１２のプログラム、データを格納する領域や作業領域等を確保するためのものである。検出器群７０によってプリンター１内の状況が監視され、コントローラー１０は検出器群７０からの検出結果に基づき制御を行う。なお、ＣＰＵ１２のプログラム、データはストレージメディア１１３に格納されていてもよい。ストレージメディア１１３は、例えばハードディスクなどの磁気ディスク、ＤＶＤなどの光学ディスク、フラッシュメモリーなどの不揮発性メモリーのいずれかであってもよいが、特に限定されるものではない。図１のように、ＣＰＵ１２はプリンター１に接続されたストレージメディア１１３にアクセス可能であってもよい。また、ストレージメディア１１３はコンピューター８０に接続されており、ＣＰＵ１２はインターフェース部１１およびコンピューター８０を介してストレージメディア１１３にアクセス可能（経路は不図示）であってもよい。

駆動信号生成部１４は、ヘッド４１に含まれる圧電素子ＰＺＴを変位させる駆動信号ＣＯＭを生成する。駆動信号生成部１４は、後述するように、元駆動信号生成部２５の一部、信号変調部２６、信号増幅部２８（デジタル電力増幅回路）、信号変換部２９（平滑フィルター）を含む（図７参照）。駆動信号生成部１４は、ＣＰＵ１２からの指示に従って、元駆動信号生成部２５で元駆動信号１２５を生成し、信号変調部２６で元駆動信号１２５をパルス変調して変調信号１２６を生成し、信号増幅部２８で変調信号１２６を増幅し、信号変換部２９で増幅変調信号１２８（増幅された変調信号１２６）を平滑化して駆動信号ＣＯＭを生成する。

制御信号生成部１５は、ＣＰＵ１２からの指示に従って制御信号を生成する。制御信号は、例えば噴射するノズルを選択するといったヘッド４１の制御に用いられる信号である。本実施形態では、制御信号生成部１５は、クロック信号ＳＣＫ、ラッチ信号ＬＡＴ、チャンネル信号ＣＨ、駆動パルス選択データＳＩ＆ＳＰを含む制御信号を生成するが、これらの信号の詳細については後述する。なお、制御信号生成部１５はＣＰＵ１２に含まれる構成（すなわち、ＣＰＵ１２が制御信号生成部１５の機能を兼ねる構成）であってもよい。

ここで、駆動信号生成部１４が生成する駆動信号ＣＯＭは連続的に電圧が変化するアナログ信号であり、制御信号であるクロック信号ＳＣＫ、ラッチ信号ＬＡＴ、チャンネル信号ＣＨ、駆動パルス選択データＳＩ＆ＳＰはデジタル信号である。駆動信号ＣＯＭと制御信号は、フレキシブルフラットケーブル（以下、ＦＦＣとも記載する）であるケーブル２０を経由してヘッドユニット４０のヘッド４１へと伝送される。制御信号については、差動シリアル方式を用いて複数種類の信号を時分割で伝送してもよい。このとき、制御信号を種類毎にパラレルに伝送する場合と比べて、必要な伝送線の数を減らすことができ、多くのＦＦＣの重ね合わせによる摺動性の低下を回避し、コントローラー１０およびヘッドユニット４０に設けるコネクターのサイズも小さくなる。

搬送信号生成部１６は、ＣＰＵ１２からの指示に従って、用紙搬送機構３０を制御する信号を生成する。用紙搬送機構３０は、例えばロール状に巻かれた連続する用紙Ｓを回転可能に支持すると共に回転により用紙Ｓを搬送し、印刷領域にて所定の文字や画像等が印刷されるようにする。例えば用紙搬送機構３０は、搬送信号生成部１６で生成された信号に基づいて用紙Ｓを所定の方向に搬送する。なお、搬送信号生成部１６はＣＰＵ１２に含まれる構成（すなわち、ＣＰＵ１２が搬送信号生成部１６の機能を兼ねる構成）であってもよい。

ヘッドユニット４０は、液体吐出部としてのヘッド４１を含んでいる。紙面の都合上、図１では１つのヘッド４１だけを示しているが、本実施形態のヘッドユニット４０は複数のヘッド４１を含んでいるものとする。ヘッド４１は、圧電素子ＰＺＴ、キャビティＣＡ、ノズルＮＺを含むアクチュエーター部を少なくとも２つ含み、圧電素子ＰＺＴの変位を制御するヘッド制御部ＨＣも含んでいる。アクチュエーター部は、駆動信号ＣＯＭによって変位可能な圧電素子ＰＺＴと、内部に液体が充填されており、圧電素子ＰＺＴの変位により内部の圧力が増減されるキャビティＣＡと、キャビティＣＡに連通しており、キャビティＣＡ内の圧力の増減により液体を液滴として吐出するノズルＮＺを含む。ヘッド制御部ＨＣは、コントローラー１０からの駆動信号ＣＯＭおよび制御信号に基づいて圧電素子ＰＺＴの変位を制御する。

ここで、各アクチュエーター部に含まれる要素を区別する場合には、符号に括弧書きの数字を付すものとする。図１の例では、アクチュエーター部は３つあり、第１のアクチュエーター部は、第１圧電素子ＰＺＴ（１）、第１キャビティＣＡ（１）、第１ノズルＮＺ（１）を含み、第２のアクチュエーター部は、第２圧電素子ＰＺＴ（２）、第２キャビティＣＡ（２）、第２ノズルＮＺ（２）を含み、第３のアクチュエーター部は、第３圧電素子ＰＺＴ（３）、第３キャビティＣＡ（３）、第３ノズルＮＺ（３）を含む。なお、アクチュエーター部は３つに限るものではなく、例えば２つでもよいし、４つ以上であってもよい。また、図１では、図示の都合上、第１〜第３のアクチュエーター部が１つのヘッド４１に含まれているが、その一部が不図示の別のヘッド４１に含まれていてもよい。

駆動信号ＣＯＭは、図１のように駆動信号生成部１４で生成されて、ケーブル２０、ヘッド制御部ＨＣを経由して第１圧電素子ＰＺＴ（１）、第２圧電素子ＰＺＴ（２）、第３圧電素子ＰＺＴ（３）へと伝えられる。また、クロック信号ＳＣＫ、ラッチ信号ＬＡＴ、チャンネル信号ＣＨ、駆動パルス選択データＳＩ＆ＳＰを含む制御信号は、図１のように制御信号生成部１５で生成されて、ケーブル２０を経由して、ヘッド制御部ＨＣにおける制御に用いられる。

２．プリンターの構成
図２はプリンター１の概略断面図である。図２の例では、用紙Ｓはロール状に巻かれた連続紙であるとして説明するが、プリンター１が画像を印刷する記録媒体は連続紙に限ら
ず、カット紙でもよいし、布やフィルム等でもよい。

プリンター１は、回転により用紙Ｓを繰り出す巻軸２１と、巻軸２１から繰り出された用紙Ｓを巻き掛けて上流側搬送ローラー対３１に導く中継ローラー２２と、を有する。そして、プリンター１は用紙Ｓを巻き掛けて送る複数の中継ローラー３２，３３と、印刷領域よりも搬送方向の上流側に配設された上流側搬送ローラー対３１と、印刷領域よりも搬送方向の下流側に配設された下流側搬送ローラー対３４と、を有する。上流側搬送ローラー対３１及び下流側搬送ローラー対３４は、それぞれ、モーター（不図示）に連結されて駆動回転する駆動ローラー３１ａ，３４ａと、駆動ローラー３１ａ，３４ａの回転に伴って回転する従動ローラー３１ｂ，３４ｂと、を有する。そして、上流側搬送ローラー対３１及び下流側搬送ローラー対３４がそれぞれ用紙Ｓを挟持した状態で駆動ローラー３１ａ，３４ａが駆動回転することにより用紙Ｓに搬送力が付与される。プリンター１は、下流側搬送ローラー対３４から送られた用紙Ｓを巻き掛けて送る中継ローラー６１と、中継ローラー６１から送られた用紙Ｓを巻取る巻取り駆動軸６２と、を有する。巻取り駆動軸６２の回転駆動に伴って印刷済みの用紙Ｓはロール状に順次巻き取られる。なお、これらのローラーや不図示のモーターは、図１の用紙搬送機構３０に対応する。

プリンター１は、ヘッドユニット４０と、印刷領域にて用紙Ｓを印刷面の反対側面から支持するプラテン４２と、を有する。プリンター１は、複数のヘッドユニット４０を備えていてもよい。プリンター１は、例えばインクの色毎にヘッドユニット４０を用意してもよく、イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、ブラック（Ｋ）の４色のインクを吐出可能な４個のヘッドユニット４０を搬送方向に並べる構成であってもよい。なお、以下の説明においては、１つのヘッドユニット４０を代表させて説明するが、そのノズルごとにインクの色が割り当てられておりカラー印刷が可能であるものとする。

図３に示すように、ヘッドユニット４０では、複数のヘッド４１（１）〜４１（４）が、用紙Ｓの搬送方向と交差する用紙Ｓの幅方向（Ｙ方向）に並んでいる。なお、説明のため、Ｙ方向の奥側のヘッド４１から順に小さい番号を付す。また、各ヘッド４１における用紙Ｓとの対向面（下面）では、インクを吐出する多数のノズルＮＺがＹ方向に所定の間隔おきに並んでいる。なお、図３では、ヘッドユニット４０を上から見たときのヘッド４１とノズルＮＺの位置を仮想的に示す。Ｙ方向に隣り合うヘッド４１（例えば、４１（１）と４１（２））の端部のノズルＮＺの位置は少なくとも一部が重複しており、ヘッドユニット４０の下面では、用紙Ｓの幅長さ以上に亘って、ノズルＮＺがＹ方向に所定の間隔おきに並んでいる。よって、ヘッドユニット４０の下を停まることなく搬送される用紙Ｓに対してヘッドユニット４０がノズルＮＺからインクを吐出することにより、用紙Ｓに２次元の画像が印刷される。

なお、図３では、紙面の都合上、ヘッドユニット４０に属するヘッド４１を４個として示しているがこれに限るものではない。つまり、ヘッド４１は４個より多くても少なくてもよい。また、図３のヘッド４１は千鳥格子状に配置されているが、このような配置に限るものではない。ここで、ノズルＮＺからのインク吐出方式は、本実施形態では圧電素子ＰＺＴに電圧をかけてインク室を膨張・収縮させることによりインクを吐出させるピエゾ方式であるが、発熱素子を用いてノズルＮＺ内に気泡を発生させ、その気泡によりインクを吐出させるサーマル方式でもよい。

また、本実施形態では、プラテン４２の水平な面で用紙Ｓを支持しているがこれに限らず、例えば、用紙Ｓの幅方向を回転軸として回転する回転ドラムをプラテン４２とし、回転ドラムに用紙Ｓを巻き掛けて搬送しつつヘッド４１からインクを吐出してもよい。この場合、回転ドラムの円弧形状の外周面に沿ってヘッドユニット４０が傾斜して配置される。また、ヘッド４１から吐出されるインクが、例えば、紫外線を照射することにより硬化
するＵＶインクである場合には、ヘッドユニット４０の下流側に紫外線を照射する照射器を設けてもよい。

ここで、プリンター１は、ヘッドユニット４０のクリーニングを行うためにメンテナンス領域を設けている。プリンター１のメンテナンス領域には、ワイパー５１と、複数のキャップ５２と、インク受け部５３が存在する。メンテナンス領域は、プラテン４２（すなわち、印刷領域）よりもＹ方向の奥側に位置し、クリーニング時にヘッドユニット４０はＹ方向の奥側に移動する。

ワイパー５１とキャップ５２は、インク受け部５３で支持され、インク受け部５３によってＸ方向（用紙Ｓの搬送方向）に移動可能となっている。ワイパー５１は、インク受け部５３から立設した板状の部材であり、弾性部材や布、フェルト等で形成されている。キャップ５２は、弾性部材等で形成された直方体の部材であり、ヘッド４１毎に設けられている。そして、ヘッドユニット４０におけるヘッド４１（１）〜４１（４）の配置に合わせて、キャップ５２（１）〜５２（４）も幅方向に並んでいる。よって、ヘッドユニット４０がＹ方向の奥側に移動するとヘッド４１とキャップ５２が対向し、ヘッドユニット４０が下降すると（又はキャップ５２が上昇すると）、ヘッド４１のノズル開口面にキャップ５２が密着し、ノズルＮＺを封止することができる。インク受け部５３は、ヘッド４１のクリーニング時にノズルＮＺから吐出されたインクを受ける役割も担う。

ヘッド４１に設けられたノズルＮＺからインクが吐出される際には、メインのインク滴と共に微小なインク滴が発生し、その微小なインク滴がミストとして舞い上がり、ヘッド４１のノズル開口面に付着する。また、ヘッド４１のノズル開口面には、インクだけでなく、埃や紙粉等も付着する。これらの異物をヘッド４１のノズル開口面に付着させたまま放置して堆積させてしまうと、ノズルＮＺが塞がれ、ノズルＮＺからのインク吐出が阻害されてしまう。そこで、本実施形態のプリンター１では、ヘッドユニット４０のクリーニングとしてワイピング処理が定期的に行われる。

３．駆動信号および制御信号
以下に、ケーブル２０で伝送されるコントローラー１０からの駆動信号ＣＯＭおよび制御信号の詳細について説明する。まず、ヘッド４１の構造を説明し、駆動信号ＣＯＭおよび制御信号の波形を例示した後に、ヘッド制御部ＨＣの構成について説明する。

３．１．ヘッドの構造
図４は、ヘッド４１の構造を説明するための図である。図４には、ノズルＮＺ、圧電素子ＰＺＴ、インク供給路４０２、ノズル連通路４０４、及び、弾性板４０６が示されている。インク供給路４０２、ノズル連通路４０４はキャビティＣＡに対応する。

インク供給路４０２には、不図示のインクタンクからインク滴が供給される。そして、インク滴はノズル連通路４０４に供給される。圧電素子ＰＺＴには、駆動信号ＣＯＭの駆動パルスＰＣＯＭが印加される。駆動パルスＰＣＯＭが印加されると波形に従って圧電素子ＰＺＴが伸縮（変位）し、弾性板４０６を振動させる。そして、駆動パルスＰＣＯＭの振幅に対応する量のインク滴がノズルＮＺから吐出されるようになっている。このようなノズルＮＺ、圧電素子ＰＺＴ等からなるアクチュエーター部が図３のように並んで、ノズル列を有するヘッド４１を構成している。

３．２．信号の波形
図５は、駆動信号生成部１４からの駆動信号ＣＯＭおよびドット形成に用いられる制御信号を説明するための図である。駆動信号ＣＯＭは、圧電素子ＰＺＴに印加されて液体を噴射させる単位駆動信号としての駆動パルスＰＣＯＭを時系列的に接続したものであり、
駆動パルスＰＣＯＭの立ち上がり部分がノズルに連通するキャビティＣＡの容積を拡大して液体を引込む段階であり、駆動パルスＰＣＯＭの立下がり部分がキャビティＣＡの容積を縮小して液体を押出す段階であり、液体を押出した結果、液体がノズルから噴射される。

この電圧台形波からなる駆動パルスＰＣＯＭの電圧増減傾きや波高値を種々に変更することにより、液体の引込量や引込速度、液体の押出量や押出速度を変化させることができ、これにより液体の噴射量を変化させて異なる大きさのドットを得ることができる。従って、複数の駆動パルスＰＣＯＭを時系列的に連結する場合でも、そのうちから単独の駆動パルスＰＣＯＭを選択して圧電素子ＰＺＴに印加し、液体を噴射したり、複数の駆動パルスＰＣＯＭを選択して圧電素子ＰＺＴに印加し、液体を複数回噴射したりすることで種々の大きさのドットを得ることができる。即ち、液体が乾かないうちに複数の液体を同じ位置に着弾すると、実質的に大きな液体を噴射するのと同じことになり、ドットの大きさを大きくすることができる。このような技術の組合せによって多階調化を図ることが可能となる。なお、図５の左端の駆動パルスＰＣＯＭ１は、駆動パルスＰＣＯＭ２〜ＰＣＯＭ４とは異なり、液体を引込むだけで押出していない。これは、微振動と呼ばれ、液体を噴射せずにノズルの増粘を抑制防止したりするのに用いられる。

ヘッド制御部ＨＣには、駆動信号生成部１４からの駆動信号ＣＯＭの他、制御信号生成部１５からの制御信号として、クロック信号ＳＣＫ、ラッチ信号ＬＡＴ、チャンネル信号ＣＨ、駆動パルス選択データＳＩ＆ＳＰが入力される。このうち、ラッチ信号ＬＡＴ、チャンネル信号ＣＨは、駆動信号ＣＯＭのタイミングを定める制御信号であり、図５のように、ラッチ信号ＬＡＴで一連の駆動信号ＣＯＭが出力され始め、チャンネル信号ＣＨ毎に駆動パルスＰＣＯＭが出力されることになる。駆動パルス選択データＳＩ＆ＳＰは、インク滴を吐出させるべきノズルに対応した圧電素子ＰＺＴを指定する画素データＳＩ（ＳＩＨ、ＳＩＬ）及び駆動信号ＣＯＭの波形パターンデータＳＰを含む。ＳＩＨ、ＳＩＬは、それぞれ、２ビットの画素データＳＩの上位ビット、下位ビットに対応する。

３．３．ヘッド制御部
図６は、ヘッド制御部ＨＣの構成を説明するブロック図である。ヘッド制御部ＨＣは、液体を噴射させるノズルに対応した圧電素子ＰＺＴを指定するための駆動パルス選択データＳＩ＆ＳＰを保存するシフトレジスター２１１と、シフトレジスター２１１のデータを一時的に保存するラッチ回路２１２と、ラッチ回路２１２の出力をレベル変換して選択スイッチ２０１に供給することにより、駆動信号ＣＯＭの電圧を圧電素子ＰＺＴに印加するレベルシフター２１３を備えて構成されている。

シフトレジスター２１１には、駆動パルス選択データＳＩ＆ＳＰが順次入力されると共に、クロック信号ＳＣＫの入力パルスに応じて記憶領域が初段から順次後段にシフトする。ラッチ回路２１２は、ノズル数分の駆動パルス選択データＳＩ＆ＳＰがシフトレジスター２１１に格納された後、入力されるラッチ信号ＬＡＴによってシフトレジスター２１１の各出力信号をラッチする。ラッチ回路２１２に保存された信号は、レベルシフター２１３によって次段の選択スイッチ２０１をオンオフできる電圧レベルに変換される。これは、駆動信号ＣＯＭが、ラッチ回路２１２の出力電圧に比べて高い電圧であり、これに合わせて選択スイッチ２０１の動作電圧範囲も高く設定されているためである。従って、レベルシフター２１３によって選択スイッチ２０１が閉じられる圧電素子ＰＺＴは駆動パルス選択データＳＩ＆ＳＰの接続タイミングで駆動信号ＣＯＭ（駆動パルスＰＣＯＭ）に接続される。

また、シフトレジスター２１１の駆動パルス選択データＳＩ＆ＳＰがラッチ回路２１２に保存された後、次の印刷情報をシフトレジスター２１１に入力し、液体の噴射タイミン
グに合わせてラッチ回路２１２の保存データを順次更新する。なお、この選択スイッチ２０１により、圧電素子ＰＺＴを駆動信号ＣＯＭ（駆動パルスＰＣＯＭ）から切り離した後も、当該圧電素子ＰＺＴの入力電圧は、切り離す直前の電圧に維持される。

３．４．駆動信号
図７は、駆動信号ＣＯＭの生成までの流れを説明する図である。上記のように、図７の元駆動信号生成部２５の一部、信号変調部２６、信号増幅部２８（デジタル電力増幅回路）、信号変換部２９（平滑フィルター）は駆動信号生成部１４に対応している。元駆動信号生成部２５は、インターフェース部１１からの印刷データ１１１に基づいて例えば図７のような元駆動信号１２５を生成する。

元駆動信号生成部２５は、後述するようにＣＰＵ１２、ＤＡＣ３９等を含み、ＣＰＵ１２が印刷データ１１１に基づいて元駆動データを選択して、ＤＡＣ３９に出力することで元駆動信号１２５を生成する。

信号変調部２６は、元駆動信号生成部２５からの元駆動信号１２５を受け取ると、所定の変調を行って変調信号１２６を生成する。後述するように、本実施形態では所定の変調としてエラーアンプ３７（誤差増幅器）を用いる変調を行うが、その基本変調動作はパルス密度変調（Pulse-Density Modulation、PDM）と同じである。なお、所定の変調として、例えばパルス幅変調（Pulse-Width Modulation、PWM）といった他の変調方式が用いられてもよい。

信号増幅部２８は、変調信号１２６を受け取って電力増幅を行い、信号変換部２９は、増幅変調信号１２８を平滑化してアナログの駆動信号ＣＯＭを生成する。

ここで、図７に示した機能ブロックについて詳細な構成を説明する。図８は、本実施形態のプリンター１の駆動信号生成部１４等の詳細ブロック図である。図８には、駆動信号生成部１４が生成する駆動信号ＣＯＭを受け取るヘッドユニット４０も示されている。

元駆動信号生成部２５は、デジタル電位データなどで構成される元駆動信号１２５の元駆動データを記憶するメモリー１３と、インターフェース部１１からの印刷データ１１１に基づいてメモリー１３から元駆動データを読み込むＣＰＵ１２と、ＣＰＵ１２から出力される電圧信号をアナログ変換して元駆動信号１２５として出力するＤＡＣ３９と、を含む。

信号変調部２６は、基本変調動作がパルス密度変調方式（以下、ＰＤＭ方式）と同じである変調信号１２６を生成する回路であって、誤差を増幅するエラーアンプ３７と比較器３５とを含む。

ここで、ＰＤＭ方式は、出力波形と入力波形を比較することで自励発振させパルス密度を変調させるものである。通常、ＰＤＭ方式での変調を実現する回路は、積分回路、比較器および遅延器で構成されており、基本的な構成は一般的に知られているΔΣ変調器と同じである。ΔΣ変調とは信号を量子化するＡ／Ｄ変換の一つである。ΔΣ変調はオーバーサンプリングとノイズシェーピングといった２つの特性により量子化器（比較器）で発生する誤差、すなわち量子化ノイズを入力信号より高い周波数帯域にシフトさせるため、低域信号に対する精度が良く、高周波数帯域にシフトした量子化ノイズを広帯域に分布させる。そして、入力信号レベルに対応してパルス周波数が変化する。

本実施形態の信号変調部２６では、変調信号１２６が信号増幅部２８等を経由して帰還する経路が遅延器に対応する。また、信号変調部２６は、ＰＤＭ方式の変調回路で用いら
れることが多い積分器の代わりに２つの入力信号の差を増幅するエラーアンプ３７を使用する。このとき、信号変調部２６への帰還信号は、増幅変調信号１２８ではなく駆動信号ＣＯＭであり、駆動信号ＣＯＭと元駆動信号１２５との差に基づいて量子化が行われる。本実施形態の信号変調部２６は、積分器が不要であるため遅延時間（遅延要素）を小さくすることができ、変調処理の高速化を図ることができる。また、信号変調部２６は、駆動信号ＣＯＭの元駆動信号１２５に対する位相遅れを、例えばエラーアンプ３７の位相進み補正によって減少させることができる。遅延要素を小さくすることで発振周波数が上がるので、信号変調部２６は波形再現性の高い変調を行うことができる。

信号増幅部２８は、デジタル電力増幅回路であって、実質的に電力を増幅するためのハイサイド側のスイッチング素子ＱＨ及びローサイド側のスイッチング素子ＱＬからなるハーフブリッジ出力段と、信号変調部２６からの変調信号１２６に基づいて、ハイサイド側のスイッチング素子ＱＨ、ローサイド側のスイッチング素子ＱＬのゲート入力信号ＧＨ、ＧＬを調整するためのゲートドライブ回路３８とを備えて構成されている。スイッチング素子ＱＨ、ＱＬとしては、例えばパワーＭＯＳＦＥＴを用いることができるが、これに限られない。

信号増幅部２８では、変調信号１２６がハイレベルであるとき、ハイサイド側のスイッチング素子ＱＨのゲート入力信号ＧＨはハイレベルとなり、ローサイド側のスイッチング素子ＱＬのゲート入力信号ＧＬはローレベルとなるので、ハイサイド側のスイッチング素子ＱＨはオン状態となり、ローサイド側のスイッチング素子ＱＬはオフ状態となり、その結果、ハーフブリッジ出力段の出力は、供給電圧Ｖｄｄとなる。一方、変調信号１２６がローレベルであるとき、ハイサイド側のスイッチング素子ＱＨのゲート入力信号ＧＨはローレベルとなり、ローサイド側のスイッチング素子ＱＬのゲート入力信号ＧＬはハイレベルとなるので、ハイサイド側のスイッチング素子ＱＨはオフ状態となり、ローサイド側のスイッチング素子ＱＬはオン状態となり、その結果、ハーフブリッジ出力段の出力は０となる。

なお、ＣＰＵ１２から出力される増幅指示信号１１２によって、動作の停止が指示された場合には、ゲートドライブ回路３８はハイサイド側のスイッチング素子ＱＨ、ローサイド側のスイッチング素子ＱＬを共にオフ状態とする。ハイサイド側のスイッチング素子ＱＨ、ローサイド側のスイッチング素子ＱＬを共にオフ状態とすることは、信号増幅部２８の動作を停止することと同義であり、電気的には容量性負荷である圧電素子ＰＺＴからなるアクチュエーターがハイインピーダンス状態に維持されることになる。

信号変換部２９は、平滑フィルターであり、コイルＬとコンデンサーＣとからなる２次のフィルターを用いている。この信号変換部２９によって、信号変調部２６で生じた変調周波数、即ちパルス変調の周波数成分を減衰して除去し、駆動信号ＣＯＭを生成して、ヘッドユニット４０へと出力する。

ヘッドユニット４０は、ヘッド４１を有し、液体を吐出するノズルに対応して多くの圧電素子ＰＺＴを含む。第１圧電素子ＰＺＴ（１）、第２圧電素子ＰＺＴ（２）、第３圧電素子ＰＺＴ（３）は、全体の圧電素子ＰＺＴ（例えば数千個）の一部である。ヘッド４１はヘッド制御部ＨＣを含み、ヘッド制御部ＨＣは圧電素子ＰＺＴのそれぞれに駆動信号ＣＯＭの電圧を印加するかを選択する選択スイッチ２０１を含んでいる。なお、図８では、キャビティＣＡ、ノズルＮＺ、ヘッド制御部ＨＣの選択スイッチ２０１以外の機能ブロック（例えばシフトレジスター２１１等、図６参照）の図示を省略している。

以上に説明したように、コイルＬは、信号増幅部２８（デジタル電力増幅回路）からの増幅変調信号１２８を平滑化して駆動信号ＣＯＭを生成するのに用いられるが、一般に、
デジタル電力増幅回路からの増幅変調信号１２８を平滑化するのに用いられるコイルの発熱・損失は、液体噴射型印刷装置の全体の発熱・消費電力で大きな部分を占める傾向がある。よって、発熱・損失を抑えたコイルを選択することは、液体噴射型印刷装置の設計における１つの大きな課題である。

特に、プリンター１では、十分な品質、解像度の印刷物を得るために、ＭＨｚオーダーといった高い周波数の増幅変調信号１２８が用いられることから、コイルＬの選択によって消費電力が大きく異なる。そこで、以下において、プリンター１での使用に適しているコイルの選択手法について検討を行う。

４．コイルの選択について
４．１．コア材の種類
一般に、コイルは、電線を円筒形に巻き、円筒の中に何も入れない空芯型コイルとコアに巻線を巻いたコアコイルとに大別できる。コアコイルは磁性材料であるフェライトを使用することが多くフェライトコイルと呼ばれる。空芯型は低歪みであるが損失が大きいためプリンター１の使用に適さない。よって、以下のように、フェライトコイルの中からコア材の異なる複数のコイルを評価し、コイルＬに適するコア材の種類を検討した。

コア材としては、Ｍｎ−Ｚｎ系フェライト（以下、単にＭｎ−Ｚｎ系とする）、Ｎｉ−Ｚｎ系フェライト（以下、単にＮｉ−Ｚｎ系とする）、ダストコア系の３種類が一般的である。ここで、ダストコア系とは、コア材として高圧プレスで成型された磁性粉を用いたものである。図９は、上記の３種類のコア材を用いたコイルについてＲｓを測定したものであり、コア材の種類によるＲｓの違いを示している。ここで、Ｒｓはコイルの抵抗成分であり、鉄損（コアの損失）に寄与する抵抗成分と銅損（線材の損失）に寄与する抵抗成分とを含む。なお、以下において、「鉄損（コアの損失）に寄与する抵抗成分」を単に「鉄損（コアの損失）」と、「銅損（線材の損失）に寄与する抵抗成分」を単に「銅損（線材の損失）」と表現することがある。また、抵抗成分としてはコイルの直流抵抗（例えば２ｍΩ程度）もあるが、Ｒｓに比べて十分（例えば２桁）小さいので、検討の対象からは除外してよい。

図９のように、Ｍｎ−Ｚｎ系のコア材を用いたコイル（以下、単にＭｎ−Ｚｎ系コイルともいう）は、Ｎｉ−Ｚｎ系のコア材を用いたコイル（以下、単にＮｉ−Ｚｎ系コイルともいう）やダストコア系のコア材を用いたコイル（以下、単にダストコア系コイルともいう）よりも、Ｒｓの値が大きい。詳細は後述するが、Ｒｓが大きいと渦電流損を小さくできるため、コイルＬとしてＭｎ−Ｚｎ系コイルを選択することが好ましい。

また、コア材の種類による他の特徴として、Ｎｉ−Ｚｎ系コイルは飽和磁束密度が低いことが挙げられる。このことは、所望のインダクタンス値を得るのに、他の種類のコイルに比べて例えば巻数を増やす必要があることを意味する。しかし、プリンター１では小型のコイルＬが使用されるため、巻数を大幅に増加させることは困難である。よって、飽和磁束密度の観点からＮｉ−Ｚｎ系コイルはプリンター１のコイルＬとして適切とは言えない。そして、Ｍｎ−Ｚｎ系コイルとダストコア系コイルとを比較すると、一般にダストコア系コイルは渦電流損が比較的大きい傾向がある。そのため、渦電流損を十分に抑えたダストコア系コイルが使用可能でない限り、Ｍｎ−Ｚｎ系コイルを選択することが好ましいと言える。

ここで、図９のＲｓの値は、４ＭＨｚ動作、すなわち周波数４ＭＨｚのパルス信号をＭｎ−Ｚｎ系コイル、Ｎｉ−Ｚｎ系コイル、ダストコア系コイルにそれぞれ与えた場合の評価結果である。増幅変調信号１２８の交流成分の周波数帯域は１ＭＨｚ以上かつ８ＭＨｚ未満であるが、この周波数帯域において、Ｍｎ−Ｚｎ系コイルのＲｓの値が相対的に大き
いことは変わらない。

なお、増幅変調信号１２８の交流成分の周波数帯域が１ＭＨｚ以上であるのは、以下の理由による。図１５のＣＯＭＡは、元駆動信号１２５におけるパルス波形（例えば、図５のＰＣＯＭ２に対応する元駆動信号１２５の一部の波形）について周波数スペクトル解析をした結果を表す。図１５によると、約１０ｋＨｚ〜４００ｋＨｚ程度の周波数が含まれていることが知られている。デジタル電力増幅回路である信号増幅部２８で増幅して駆動信号ＣＯＭを得るためには、最低でも元駆動信号１２５に含まれる周波数成分の１０倍以上のスイッチング周波数で信号増幅部２８を駆動させる必要がある。もし、元駆動信号１２５に含まれる周波数スペクトルに比して、信号増幅部２８のスイッチング周波数が１０倍未満である場合、元駆動信号１２５に含まれる高周波スペクトル成分を変調し増幅することができず、駆動信号ＣＯＭの角（エッジ）が鈍り丸くなってしまう。駆動信号ＣＯＭが鈍ると波形の立ち上り、立ち下りエッジに応じて動作する圧電素子ＰＺＴの動きが緩慢になり、ノズルＮＺからの吐出量が不安定になったり、吐出しなかったりする可能性がある。つまり、不安定な駆動が発生してしまう虞がある。ここで、図１５によると、元駆動信号１２５におけるパルス波形の高周波スペクトル成分は、約６０ｋＨｚにピークを有し、多くの成分が１００ｋＨｚ未満にある。そのため、最低でも１００ｋＨｚの１０倍である１ＭＨｚ程度のスイッチング周波数で信号増幅部２８を駆動させることが望ましい。

ここで、元駆動信号１２５に含まれる周波数成分は、吐出させるインク滴の大きさや、印刷ドットのサイズに応じた元駆動信号１２５の波形によって異なる。例えば図１５のスペクトル解析で用いた元駆動信号１２５の一部の波形は、標準よりも小さいサイズのインク滴を吐出させるための元駆動信号１２５であるため、図１５のように振動幅が約２Ｖ程度と小さくなっている。このように、小さいサイズのインク滴を吐出させるためには、圧電素子ＰＺＴを急峻に動かし少量のインク滴を吐出させる。そのための駆動信号ＣＯＭは、高周波スペクトル成分を多く含む必要があるゆえ、また、高速印刷を行うためには、圧電素子ＰＺＴを速く動かさなければいけない都合上、高周波スペクトル成分を多く含む必要がある。つまり、高速高画質印刷を追求すればするほど、要求される最低限度の周波数は高くなる傾向にある。なお、本実施形態における駆動信号ＣＯＭは一般的な家庭およびオフィスでの使用を目的とした設計されたものであって、１８０個の圧電素子ＰＺＴを用いて５７６０×１４４０ｄｐｉ程度のＡ４サイズの印刷物を毎分５枚程度印刷することを想定して設計されたものである。

また、増幅変調信号１２８の交流成分の周波数帯域が８ＭＨｚ未満であるのは、以下の理由による。スイッチング周波数が高い場合、圧電素子ＰＺＴを駆動させるような高圧かつ高周波でスイッチングを行おうとするとスイッチング用のトランジスター（ＱＨ、ＱＬ）の構造上の理由から、接合容量が増加しそれに起因するノイズが発生したり、高周波駆動によるスイッチング損失が増加したり、など種々の問題が発生してしまう。特に、スイッチング損失の増加は大きな問題となり得る。つまり、スイッチング損失の増加は、デジタル電力増幅回路（デジタルアンプ）がＡＢ級アンプと比して優位性を確保している省電力性・省発熱性と言うメリットが損なわれてしまう恐れがあるからである。

本実施形態においては、従来から使用していたアナログアンプ（ＡＢ級アンプ）と比した場合、８ＭＨｚまでは、デジタルアンプの方が優位であるとの結果が得られたが、それ以上の周波数でトランジスターを駆動させた場合には、ＡＢ級アンプの方が優位となることもあり得るからである。

以下に、上記の３種類のうち、Ｒｓが大きいＭｎ−Ｚｎ系コイルを選択することが好ましい理由について図１０〜図１１（Ｂ）を参照して説明する。図１０は、Ｒｓにおける鉄損と銅損の比率を説明する図である。なお、図１０の縦軸（抵抗値）は、対数目盛を使用
している。

上記の通り、Ｒｓは鉄損と銅損とを含むコイルの抵抗成分である。図１０の実線で表されるＲｓは、インピーダンスアナライザーで測定されたデータに基づくものである。プリンター１のコイルＬに入力される増幅変調信号１２８は、プリンター１が印刷を行う通常動作時に、図１０のＦｍｉｎ〜Ｆｍａｘの範囲の周波数をとり得る。つまり、本実施形態ではＦｍｉｎは１ＭＨｚであり、Ｆｍａｘは約８ＭＨｚである。

ここで、Ｒｓのうち銅損の電気抵抗Ｒｃは、電気抵抗率ρ、導体の長さＬ、導体の断面積Ｓ₀を用いて式（１）で求められる。

図１０の点線で表される銅損は、式（１）のＲｃを示したものである。よって、図１０において、実線のＲｓと点線の銅損との差が鉄損を表す。ここで、縦軸（抵抗値）が対数目盛であることから、周波数がＦｍｉｎ〜Ｆｍａｘの範囲において、鉄損≫銅損の関係があり、プリンター１におけるコイルＬの損失は鉄損が支配的である。

ここで、鉄損（Ｗ）はヒステリシス損（Ｗ_h）と渦電流損（Ｗ_e）との総和であり、下記の式（２）のように表すことができる。

式（２）において、Ｂ_mは磁束密度、Ｋ_h、Ｋ_e1、η１、η２はそれぞれ定数であり、ｆはコイルＬの信号の周波数である。ヒステリシス損（Ｗ_h）はコア内の磁界の向きが変化する際に発生する損失である。磁場変化回数に比例して生じるため、ヒステリシス損（Ｗ_h）は周波数（ｆ）に比例する。一方、渦電流損（Ｗ_e）はコア内の磁界の変化により電磁誘導で起電力が発生し、コアに誘導電流が流れることで起こる損失である。コアに流れる渦電流の大きさは，磁場の変化速度，つまり周波数（ｆ）に比例する。それに周波数(発生回数)を乗じるため，渦電流損は周波数（ｆ）の２乗に比例することになる。

図１１（Ａ）は、ヒステリシス損と渦電流損の比率を説明する図であり、上記の式（２）に基づくものである。プリンター１は、高い周波数範囲（Ｆｍｉｎ〜Ｆｍａｘ）で使われる増幅変調信号１２８を用いる。そのため、図１１（Ａ）のように、同範囲では周波数（ｆ）の２乗に比例する渦電流損が支配的であり、鉄損のほとんどは渦電流損であると言える。

図１１（Ｂ）は渦電流ＥＣを説明するための図である。コアＣＭの内部の磁界（図１１（Ｂ）の点線）の変化により電磁誘導で起電力が発生することにより生じる。ここで、渦電流損を抑えるためには、渦電流を小さくすること、つまり、電気抵抗の大きいコアＣＭの材料を選択することが必要である。よって、Ｍｎ−Ｚｎ系コイル、Ｎｉ−Ｚｎ系コイル、ダストコア系コイルのうちで、抵抗成分であるＲｓが大きいＭｎ−Ｚｎ系コイルを選択することにより、渦電流損を抑えることができる。上記のように、高い周波数範囲で使われる増幅変調信号１２８を用いるプリンター１では、銅損よりも鉄損、そして、鉄損のうちでも渦電流損が支配的である。よって、コイルＬとしてＭｎ−Ｚｎ系コイルを選択することにより、最も支配的な渦電流損を抑えることができるため、コイルＬの発熱・損失を抑制し、低消費電力のプリンター１を提供することができる。

４．２．コイルの選択
４．２．１．選択基準
ここで、プリンター１のコイルＬは、増幅変調信号１２８を平滑化するためのフィルターを構成するものであるが、選択の幅があることが通常である。例えば、図１２（Ａ）に示すように、いずれもＭｎ−Ｚｎ系コイルであるコイルＬ₁、Ｌ₂、Ｌ₃があり、いずれも所望のフィルター特性を満たすことができるとする場合、いずれが最適であるかを示す基準があることが好ましい。以下では、コア材の種類以外の選択の基準について検討する。

図１２（Ａ）、図１２（Ｂ）はＭｎ−Ｚｎ系コイルのＲｓと消費電力との相関関係を説明するための図である。図１２（Ａ）は、Ｍｎ−Ｚｎ系コイルである３つのコイルＬ₁、Ｌ₂、Ｌ₃のそれぞれのＲｓを測定した結果を示している。図１２（Ａ）のように、コイルＬ₁、Ｌ₂、Ｌ₃の順にＲｓが高くなっている。そして、図１２（Ｂ）に示すように、消費電力についてもコイルＬ₁、Ｌ₂、Ｌ₃の順に高くなっている。つまり、実験により、Ｍｎ−Ｚｎ系コイルについては、抵抗成分であるＲｓと消費電力については、正の相関関係があるという結果が得られた。

なお、図１２（Ａ）、図１２（Ｂ）は、ともに４ＭＨｚ動作のときの測定値を示すものであるが、Ｆｍｉｎ〜Ｆｍａｘの範囲の動作において上記の相関関係は変わらない。また、さらにサンプルを増やして検証した結果、４ＭＨｚ動作において、Ｒｓが２００ｍΩ未満のコイルを選択した場合に、発熱・損失が小さくなり良好な結果が得られた。

したがって、Ｍｎ−Ｚｎ系コイルについては、Ｒｓが２００ｍΩ未満であることを選択基準とすることで、適切なコイルを選ぶことが可能である。この選択基準に従うと、コイルＬ₁、Ｌ₂、Ｌ₃のうち、図１２（Ａ）のようにＲｓが２００ｍΩ未満であるコイルＬ₁を選択することが好ましい。

４．２．２．調整手法
次に、上記の選択基準を満たすコイルがない場合について検討する。例えばコイルＬ₁のようなコイルはないが、巻数やコアギャップＣＧを調整可能なコイルＬ₂が使用可能であるような場合を想定する。

上記のように、周波数がＦｍｉｎ〜Ｆｍａｘの範囲において、鉄損≫銅損の関係があり、鉄損としては渦電流損が支配的である。ここで、上記の式（２）において、定数η２は具体的には“２”であり、渦電流損（Ｗ_e）は磁束密度（Ｂ_m）の２乗に比例する。そのため、渦電流損（Ｗ_e）を下げるためには、磁束密度（Ｂ_m）を下げることが有効である。

磁束（Φ）、磁束密度（Ｂ_m）、インダクタンス値（Ｖ_L）は、それぞれ、以下の式（３）、式（４）、式（５）で表される。

式（３）〜式（５）において、Ｉはコイルに流れる電流、Ｎは巻数、Ｓ₁はコアの断面
積、ｋはコイルの形状によって定まる比例定数、μ_eは実効透磁率である。式（３）〜式（５）によると、コイルに対する以下のような調整により、磁束密度（Ｂ_m）を下げることが可能である。

まず、インダクタンス値（Ｖ_L）またはコイルに流れる電流（Ｉ）を下げることで、磁束密度（Ｂ_m）を下げることが可能である。しかし、インダクタンス値（Ｖ_L）とコイルに流れる電流（Ｉ）とは反比例の関係にあるため、一方を変化させても他方が打ち消してしまうために、磁束密度（Ｂ_m）を下げる効果は薄い。

また、コアの断面積（Ｓ₁）を増加させることで、磁束密度（Ｂ_m）を下げることが可能である。しかし、コイルの実装面積の増加、コイル設計の自由度低下など、設計上の制約が多くなり現実的ではない。

そこで、実効透磁率（μ_e）を下げることで、磁束密度（Ｂ_m）を下げる調整手法が考えられる。実効透磁率（μ_e）は、例えば、コイルのコアギャップＣＧの変化に伴って変化する。

図１３（Ａ）はコイル（上記のコイルＬ₂に対応）の外観平面図、図１３（Ｂ）はそのＡ−Ａ断面図である。図１３（Ａ）、図１３（Ｂ）のように、コアＣＭの周りに線材がまかれたコイル本体が、上部パッケージＰｕ、側部パッケージＰｓ、底部パッケージＰｂで囲まれた構造となっている。なお端子Ｔ１、Ｔ２はコイルの線材の両端に接続されている。図１３（Ｂ）のように、コアＣＭと上部パッケージＰｕとの間隔がコアギャップＣＧである。

図１３（Ｃ）は、コアギャップＣＧを広げた場合を表すＡ−Ａ断面図である。このとき、コアギャップＣＧが広がると実効透磁率（μ_e）が下がり、磁束密度（Ｂ_m）も下がることになる。

しかし、上記の式（５）の通り、巻数（Ｎ）の増加はインダクタンス値（Ｖ_L）を変化させてしまう。インダクタンス値（Ｖ_L）が変化すると平滑化フィルターの特性が変わる可能性がある。そこで、巻数（Ｎ）を増やして、インダクタンス値（Ｖ_L）を保つように、同時に調整することが好ましい。図１３（Ｃ）では、図１３（Ｂ）の状態と比べて、コアギャップＣＧを広げた上で、巻数を２ターンから３ターンに増やすことで、インダクタンス値（Ｖ_L）を保つように調整している。

図１４は、コアギャップＣＧ、コイルの巻数の違いによる、周波数−Ｒｓ特性の変化を例示する図である。点線で示された特性曲線ＣＣ０は、コアギャップＣＧと巻数の調整をする前のコイル（上記のコイルＬ₂に対応）の特性を表している。このとき、コイルのＲｓは、４ＭＨｚ動作で、上記の選択基準である２００ｍΩ未満を満たしていない。

そして、図１４の実線で示された特性曲線ＣＣ２は、コアギャップＣＧを１．１ｍｍまで拡張した場合における特性を表している。このとき、磁束密度（Ｂ_m）の低下に伴って、Ｒｓが４ＭＨｚ動作で２００ｍΩ未満まで低下している。しかし、インダクタンス値（Ｖ_L）も低下しているため、インダクタンス値（Ｖ_L）をコアギャップＣＧの拡張前と同じに保つ調整が必要である。

図１４の細かい点線で示された特性曲線ＣＣ１は、さらに巻数を３ターンに増やして、インダクタンス値（Ｖ_L）をコアギャップＣＧの拡張前と同じにした場合の特性を表している。この場合でも、Ｒｓが４ＭＨｚ動作で２００ｍΩ未満まで低下しており、コイルの発熱・損失を十分に小さくすることができる。

以上のように、上記の選択基準を満たさないコイルに対しても、コアギャップＣＧを１．１ｍｍ以上に広げる調整を行うことで、Ｒｓを十分に低下させることができる。また、巻数を３ターン以上に増やすことによって、インダクタンス値（Ｖ_L）を保つ調整が可能であり、この調整を行ってもＲｓが十分に低い（２００ｍΩ未満）状態を保つことができる。つまり、上記の調整手法によって、平滑化フィルターの特性に影響を与えることなく、Ｒｓを十分に低下させることができる。

ここで、本実施形態では、Ｍｎ−Ｚｎ系コイルであることを前提に上記の調整手法を説明しているが、Ｍｎ−Ｚｎ系コイルに限らず他の種類のコイル（例えばＮｉ−Ｚｎ系コイル）にも適用可能である。上記の式（３）〜式（５）は、コイルの種類に依存するものではなく、上記の調整手法は式（３）〜式（５）に基づく検討により導かれたものであるから、Ｍｎ−Ｚｎ系コイルに限らず他の種類のコイルに対しても適用可能である。

以上に述べたように、プリンター１のような高い周波数の増幅変調信号１２８が用いられる液体噴射型印刷装置において、増幅変調信号１２８を平滑化する際の発熱・損失を抑えることができる変換効率の高いコイルが選択可能である。まず、Ｍｎ−Ｚｎ系コイルを選択することで、鉄損の多くを占める渦電流損を抑えて発熱・損失を小さくできる。また、４ＭＨｚ動作時のＲｓが２００ｍΩ未満であるとの選択基準を用いることで、Ｒｓと消費電力の相関関係に基づいて発熱・損失の小さいコイルを選択できる。また、コアギャップＣＧを１．１ｍｍ以上に広げる調整をする、またはそのようなコイルを選択することで、渦電流損を抑えて発熱・損失を小さくできる。このとき、巻数を３ターン以上に増やす調整も行う、またはそのようなコイルを選択することでインダクタンス値を保つことができ、フィルター特性にも影響を与えない。そして、このようなコイルを用いることで、低消費電力の液体噴射型印刷装置等を提供することができる。

なお、本実施形態は、ラインヘッド方式の液体吐出装置に限らず（例えばシリアルヘッド方式の液体吐出装置でも）、高い周波数の増幅変調信号１２８が用いられる液体噴射型印刷装置であれば、同様の効果を得られるものである。

５．その他
本発明は、上記の実施例および適用例で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的および効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施例等で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施例等で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成または同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施例等で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

１プリンター、１０コントローラー、１１インターフェース部、１２ＣＰＵ、１３メモリー、１４駆動信号生成部、１５制御信号生成部、１６搬送信号生成部、２０ケーブル、２１巻軸、２２中継ローラー、２５元駆動信号生成部、２６信号変調部、２８信号増幅部、２９信号変換部、３０用紙搬送機構、３１ａ駆動ローラー、３１ｂ従動ローラー、３２中継ローラー、３３中継ローラー、３４ａ駆動ローラー、３４ｂ従動ローラー、３５比較器、３７エラーアンプ、３８ゲートドライブ回路、３９ＤＡＣ、４０ヘッドユニット、４１ヘッド、４２プラテン、５１ワイパー、５２キャップ、５３インク受け部、６１中継ローラー、６２巻取り駆動軸、７０検出器群、８０コンピューター、１１１印刷データ、１１２増幅指示信号、１１３ストレージメディア、１２５元駆動信号、１２６変調信号、１２８増幅変調信号、２０１選択スイッチ、２１１シフトレジスター、２１２ラッ
チ回路、２１３レベルシフター、４０２インク供給路、４０４ノズル連通路、４０６弾性板、Ｃコンデンサー、ＣＡキャビティ、ＣＧコアギャップ、ＣＨチャンネル信号、ＣＭコア、ＣＯＭ駆動信号、ＥＣ渦電流、ＧＨゲート入力信号、ＧＬ
ゲート入力信号、ＨＣヘッド制御部、Ｌコイル、ＬＡＴラッチ信号、ＮＺノズル、ＰＣＯＭ駆動パルス、ＰＺＴ圧電素子、Ｐｂ底部パッケージ、Ｐｓ側部パッケージ、Ｐｕ上部パッケージ、ＱＨスイッチング素子、ＱＬスイッチング素子、Ｒｃ電気抵抗、Ｓ用紙、ＳＣＫクロック信号、ＳＩ＆ＳＰ駆動パルス選択データ、ＳＩ画素データ、ＳＰ波形パターンデータ、Ｔ１端子、Ｔ２端子

Claims

元駆動信号をパルス変調して変調信号を生成する信号変調部と、
前記変調信号を増幅して増幅変調信号を生成する信号増幅部と、
前記増幅変調信号を平滑化して駆動信号を生成するコイルと、
前記駆動信号が印加されることで変形する圧電素子と、
前記圧電素子の変形によって膨張または収縮するキャビティと、
前記キャビティに連通し、前記キャビティ内の圧力の増減により液体を吐出するノズルと、
を有し、
前記コイルは、
前記増幅変調信号が４ＭＨｚである場合の、コアの損失と線材の損失とを含む抵抗成分が２００ｍΩ未満となることを特徴とする液体吐出装置。
前記増幅変調信号の交流成分の周波数帯域は、１ＭＨｚ以上であることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出装置。
前記増幅変調信号の交流成分の周波数帯域は、８ＭＨｚ未満であることを特徴とする請求項１または２に記載の液体吐出装置。
前記信号変調部は、
前記駆動信号を帰還させて前記変調信号を生成することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の液体吐出装置。