JP6922263B2 - 液体吐出装置および容量性負荷の駆動回路 - Google Patents
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Description
そこで、本発明のいくつかの態様の目的の一つは、消費電力をさらに改善した液体吐出装置、および、容量性負荷の駆動回路を提供することにある。
上記一態様に係る液体吐出装置によれば、消費電力をD急増幅方式と比較してさらに改善することができる。
なお、第2給電線および第3給電線は同一であっても良いし、別物であっても良い。
この構成において、一端が前記第2給電線に接続され、他端がグランドに接地された第3キャパシターを含み、前記第3キャパシターの容量は、前記第1キャパシターの容量よりも大きくしても良く、また、一端が前記第4給電線に接続され、他端がグランドに接地された第4キャパシターを含み、前記第3キャパシターの容量は、前記第4キャパシターの容量よりも大きくしても良い。
前記選択部は、前記第1の場合に、前記第1ハイサイドトランジスターのゲート端子および前記第2ハイサイドトランジスターのゲート端子に向けて、当該ハイサイドトランジスターをそれぞれオフさせる信号を供給し、前記第2の場合に、前記第1ローサイドトランジスターのゲート端子および前記第2ローサイドトランジスターのゲート端子に向けて、当該ローサイドトランジスターをそれぞれオフさせる信号を供給しても良い。
前記選択部は、前記元駆動信号の電圧変化の大きさが前記閾値以下の場合、前記第1ローサイドトランジスターのゲート端子、前記第2ローサイドトランジスターのゲート端子、前記第3ハイサイドトランジスターのゲート端子、および、前記第4ハイサイドトランジスターのゲート端子に、当該トランジスターをそれぞれオフさせる信号を供給しても良い。
前記選択部は、前記元駆動信号の電圧変化が閾値以下であるか否かを示す指定信号に基づいて、前記各ゲート端子にそれぞれ供給する信号を制御しても良い。
また、本発明は、液体吐出装置に限られず、種々の態様で実現することが可能であり、例えば当該圧電素子のような容量性負荷を駆動する駆動回路としても概念することが可能である。
この図に示される印刷装置1は、液体の一例であるインクを吐出することによって、紙などの媒体Pにインクドット群を形成し、これにより、画像(文字や図形等などを含む)を印刷する液体吐出装置の一種である。
移動機構6は、キャリッジ20を移動させるキャリッジモーター61と、両端が固定されたキャリッジガイド軸62と、キャリッジガイド軸62とほぼ平行に延在し、キャリッジモーター61により駆動されるタイミングベルト63と、を有している。
キャリッジ20は、キャリッジガイド軸62に往復動自在に支持されるとともに、タイミングベルト63の一部に固定されている。そのため、キャリッジモーター61によりタイミングベルト63を正逆走行させると、キャリッジ20がキャリッジガイド軸62に案内されて往復動する。
なお、キャリッジ20には、フレキシブルフラットケーブル190を介してメイン基板(この図では省略)から各種の制御信号等が供給される構成となっている。
なお、本実施形態において主走査は、キャリッジ20を移動させることで実行されるが、媒体Pを移動させることで実行しても良く、キャリッジ20と媒体Pとの双方を移動させても良い。要は、媒体Pとキャリッジ20(印刷ヘッド22)とが相対的に移動する構成であれば良い。
この図に示されるように、1個のヘッドユニット3では、複数のノズルNが2列で配列する。ここで、説明の便宜上、この2列をそれぞれノズル列NaおよびNbとする。
このようにノズルNを、ノズル列NaおよびNbの2列で、Y方向にピッチP1の半分だけシフトして配置させることにより、Y方向の解像度を、1列の場合と比較して実質的に倍に高めることができる。
なお、1個のヘッドユニット3におけるノズルNの個数を便宜的にm(mは2以上の整数)とする。
なお、本説明において、接続とは、2以上の要素間の直接的および間接的な結合を意味し、当該2つ以上の要素間に、1または2以上の中間要素が存在することも含む。
図4に示されるように、アクチュエーター基板40は、流路基板42のうち、Z方向の負側の面上に圧力室基板44と振動板46とが設けられる一方、Z方向の正側の面上にノズル板41が設置された構造体である。
アクチュエーター基板40の各要素は、概略的にはY方向に長尺な略平板状の部材であり、例えば接着剤等により互いに固定される。また、流路基板42および圧力室基板44は、例えばシリコンの単結晶基板で形成される。
振動板46のうち圧力室基板44とは反対側の表面には、ノズルN(キャビティ442)毎に圧電素子Pztが形成される。
また、この例では、圧電体74に対し、共通の駆動電極72を下層とし、個別の駆動電極76を上層としたが、逆に駆動電極72を上層とし、駆動電極76を下層とする構成としても良い。
このため、圧電素子Pztは、駆動電極72および76に印加された電圧に応じて、上または下方向に変位する。詳細には、駆動電極76を介して印加される駆動信号の電圧Voutが低くなると、圧電素子Pztにおける中央部分が両端部分に対して上方向に撓む一方、当該電圧Voutが高くなると、下方向に撓む構成となっている。
ここで、上方向に撓めば、キャビティ442の内部容積が拡大(圧力が減少)するので、インクが液体貯留室Srから引き込まれる一方、下方向に撓めば、キャビティ442の内部容積が縮小(圧力が増加)するので、縮小の程度によっては、インクがノズルNから吐出される。このように、圧電素子Pztに適切な駆動信号が印加されると、当該圧電素子Pztの変位によって、インクがノズルNから吐出される。このため、少なくとも圧電素子Pzt、キャビティ442、およびノズルNによってインクを吐出する吐出部が構成される。
この図に示されるように、印刷装置1は、メイン基板100にフレキシブルフラットケーブル190を介してヘッドユニット3がそれぞれ接続された構成となっている。
このうち、制御部110は、CPUや、RAM、ROMなどを有する一種のマイクロコンピューターであり、印刷対象となる画像データがホストコンピューター等から供給されたときに、所定のプログラムを実行して各部を制御するための各種の信号等をそれぞれ出力する。
ここで、データdAは、駆動信号COM−Aの波形(電圧)を時系列で規定する波形データである。信号OEaおよびOCaの各々は、それぞれデータdAで規定される駆動信号COM−Aの波形の電圧変化に応じた論理レベルとなる信号であり、詳細については後述する。
同様に、データdBは、駆動信号COM−Bの波形を時系列で規定する波形データである。信号OEbおよびOCbの各々は、それぞれ、データdBで規定される駆動信号COM−Bの波形の電圧変化に応じた論理レベルとなる信号であり、詳細については後述する。
なお、制御部110は、移動機構6および搬送機構8を制御するが、このような構成については既知であるので説明を省略する。
このため、DAC113a(113b)により変換された信号ain(bin)の電圧を、駆動回路120a(120b)が10倍に増幅するとともにインピーダンス変換して、駆動信号COM−A(COM−B)として出力し、吐出すべきインクの量に応じて、駆動信号COM−A、COM−Bを選択して(または、選択しないで)、当該圧電素子Pzt)の一端に印加する構成となっている。
本実施形態では、COF52が回路基板50に直接的に接続された構成としているが、フレキシブルフラットケーブルを介して間接的に接続された構成としても良い。
各選択部520は、選択制御部510による指示にしたがって、駆動信号COM−A、COM−Bのいずれかを選択し(または、いずれも選択せずに)、電圧Voutの駆動信号として、対応する圧電素子Pztの一端に印加する。
そこで先に、駆動信号COM−A、COM−Bについて説明し、この後、駆動信号COM−A、COM−Bを選択するための選択制御部510および選択部520の詳細な構成について説明する。
図に示されるように、駆動信号COM−Aは、印刷周期Taのうち、制御信号LATが出力されて(立ち上がって)から制御信号CHが出力されるまでの期間T1に配置された台形波形Adp1と、印刷周期Taのうち、制御信号CHが出力されてから次の制御信号LATが出力されるまでの期間T2に配置された台形波形Adp2とを繰り返す波形となっている。
駆動信号COM−Aには、一定となる電圧が上記Vcenを含めて3値ある。この3値を高位順に、Vmax、Vcen、Vminと表記している。駆動信号COM−Bには、一定となる電圧が上記Vcenを含めて4値ある。
これにより、駆動信号COM−Aの台形波形において電圧が一定となる期間では、信号OEaがHレベルとなり、電圧が変化する期間では、信号OEaがLレベルとなる。さらに、駆動信号COM−Aの電圧が変化する期間(すなわち信号OEaがLレベルとなる期間)のうち、電圧が低下する期間では信号OCaがHレベルとなり、電圧が上昇する期間では信号OCaがLレベルとなる。
これにより、駆動信号COM−Bの台形波形において電圧が一定となる期間では、信号OEbがHレベルとなり、電圧が変化する期間では、信号OEbがLレベルとなる。さらに、駆動信号COM−Bの電圧が変化する期間(すなわち信号OEbがLレベルとなる期間)のうち、電圧が低下する期間では信号OCbがHレベルとなり、電圧が上昇する期間では信号OCbがLレベルとなる。
この図に示されるように、選択制御部510には、クロック信号Sck、印刷データSI、制御信号LATおよびCHが供給される。選択制御部510では、シフトレジスタ(S/R)512とラッチ回路514とデコーダー516との組が、圧電素子Pzt(ノズルN)のそれぞれに対応して設けられている。
印刷データSIは、クロック信号Sckに同期してノズルN(圧電素子Pzt)毎に、媒体Pの搬送に合わせて制御部110から供給される。当該印刷データSIを、ノズルNに対応して2ビット分、一旦保持するための構成がシフトレジスタ512である。
詳細には、m個の圧電素子Pzt(ノズル)の各々に対応した計m段のシフトレジスタ512が縦続接続されるとともに、図において左端に位置する1段のシフトレジスタ512に供給された印刷データSIが、クロック信号Sckにしたがって順次後段(下流側)に転送される構成となっている。
なお、図では、シフトレジスタ512を区別するために、印刷データSIが供給される上流側から順番に1段、2段、…、m段と表記している。
デコーダー516は、ラッチ回路514によってラッチされた2ビットの印刷データSIをデコードして、制御信号LATと制御信号CHとで規定される期間T1、T2ごとに、選択信号Sa、Sbを出力して、選択部520での選択を規定する。
この図において、ラッチされた2ビットの印刷データSIについては(MSB、LSB)と表記している。デコーダー516は、例えばラッチされた印刷データSIが(0、1)であれば、選択信号Sa、Sbの論理レベルを、期間T1ではそれぞれH、Lレベルで、期間T2ではそれぞれL、Hレベルで、出力するということを意味している。
なお、選択信号Sa、Sbの論理レベルについては、クロック信号Sck、印刷データSI、制御信号LATおよびCHの論理レベルよりも、レベルシフター(図示省略)によって、高振幅論理にレベルシフトされる。
この図に示されるように、選択部520は、インバーター(NOT回路)522aおよび522bと、トランスファーゲート524aおよび524bとを有する。
デコーダー516からの選択信号Saは、トランスファーゲート524aにおいて丸印が付されていない正制御端に供給される一方で、インバーター522aによって論理反転されて、トランスファーゲート524aにおいて丸印が付された負制御端に供給される。同様に、選択信号Sbは、トランスファーゲート524bの正制御端に供給される一方で、インバーター522bによって論理反転されて、トランスファーゲート524bの負制御端に供給される。
トランスファーゲート524aの入力端には、駆動信号COM−Aが供給され、トランスファーゲート524bの入力端には、駆動信号COM−Bが供給される。トランスファーゲート524aおよび524bの出力端同士は、共通接続されるとともに、対応する圧電素子Pztの一端に接続される。
トランスファーゲート524aは、選択信号SaがHレベルであれば、入力端および出力端の間を導通(オン)させ、選択信号SaがLレベルであれば、入力端と出力端との間を非導通(オフ)させる。トランスファーゲート524bについても同様に選択信号Sbに応じて、入力端および出力端の間をオンオフさせる。
ここで、制御信号LATが立ち上がると、ラッチ回路514のそれぞれは、シフトレジスタ512に保持された印刷データSIを一斉にラッチする。図6において、L1、L2、…、Lm内の数字は、1段、2段、…、m段のシフトレジスタ512に対応するラッチ回路514によってラッチされた印刷データSIを示している。
すなわち、第1に、デコーダー516は、当該印刷データSIが(1、1)であって、大ドットのサイズを規定する場合、選択信号Sa、Sbを、期間T1においてH、Lレベルとし、期間T2においてもH、Lレベルとする。第2に、デコーダー516は、当該印刷データSIが(0、1)であって、中ドットのサイズを規定する場合、選択信号Sa、Sbを、期間T1においてH、Lレベルとし、期間T2においてL、Hレベルとする。第3に、デコーダー516は、当該印刷データSIが(1、0)であって、小ドットのサイズを規定する場合、選択信号Sa、Sbを、期間T1においてL、Lレベルとし、期間T2においてL、Hレベルとする。第4に、デコーダー516は、当該印刷データSIが(0、0)であって、非記録を規定する場合、選択信号Sa、Sbを、期間T1においてL、Hレベルとし、期間T2においてL、Lレベルとする。
印刷データSIが(1、1)であるとき、選択信号Sa、Sbは、期間T1においてH、Lレベルとなるので、トランスファーゲート524aがオンし、トランスファーゲート524bがオフする。このため、期間T1において駆動信号COM−Aの台形波形Adp1が選択される。選択信号Sa、Sbは期間T2においてもH、Lレベルとなるので、選択部520は、駆動信号COM−Aの台形波形Adp2を選択する。
このように期間T1において台形波形Adp1が選択され、期間T2において台形波形Adp2が選択されて、駆動信号として圧電素子Pztの一端に供給されると、当該圧電素子Pztに対応したノズルNから、中程度の量のインクが2回にわけて吐出される。このため、媒体Pにはそれぞれのインクが着弾し合体して、結果的に、印刷データSIで規定される通りの大ドットが形成されることになる。
したがって、ノズルから、中程度および小程度の量のインクが2回にわけて吐出される。このため、媒体Pには、それぞれのインクが着弾して合体して、結果的に、印刷データSIで規定された通りの中ドットが形成されることになる。
次に、選択信号Sa、Sbは期間T2においてL、Hレベルとなるので、駆動信号COM−Bの台形波形Bdp2が選択される。このため、ノズルNから、期間T2においてのみ小程度の量のインクが吐出されるので、媒体Pには、印刷データSIで規定された通りの小ドットが形成されることになる。
このため、期間T1においてノズルN付近のインクが微振動するのみであり、インクは吐出されないので、結果的に、ドットが形成されない、すなわち、印刷データSIで規定された通りの非記録になる。
なお、図6に示した駆動信号COM−A、COM−Bはあくまでも一例である。実際には、媒体Pの性質や搬送速度などに応じて、予め用意された様々な波形の組み合わせが用いられる。
また、ここでは、圧電素子Pztが、電圧の低下に伴って上方向に撓む例で説明したが、駆動電極72および76に印加する電圧を逆転させると、圧電素子Pztは、電圧の低下に伴って下向に撓むことになる。このため、圧電素子Pztが、電圧の低下に伴って下方向に撓む構成では、図に例示した駆動信号COM−AおよびCOM−Bが、電圧Vcenを基準に反転した波形となる。
なお、駆動回路120aおよび120bの構成および動作については、おおよそ同一であるので、ここでは駆動回路120aについて説明することにする。
この図に示されるように、駆動回路120aは、電源Ea、Eb、Ec、およびEdと、差動増幅器221と、セレクター223と、ゲートドライバー270a、270b、270cおよび270dと、セレクター280と、4つのトランジスター対と、抵抗素子R1およびR2と、キャパシターCa、Cb、Cc、Cd、Cag、Cba、Ccb、Cdc、およびC0を含む。
駆動回路120aでは、電源Eaが電圧VAを、電源Ebが電圧VBを、電源Ecが電圧VCを、電源Edが電圧VDを、それぞれ出力する構成となっている。
この図に示されるように、電圧VA、VB、VC、VDの各々は、例えばそれぞれ6.0V、14.0V、26.0V、42.0Vであり、各電圧の間隔が不等に設定されている。詳細には、電圧がVA、VB、VC、およびVDについては、高位となるほど、電圧間隔が広がるように設定されている。
本実施形態では、電圧VA、VB、VC、VDで次のような電圧範囲が規定される。すなわち、電圧ゼロのグランドGnd以上電圧VA未満の範囲が第1範囲として規定され、電圧VA以上電圧VB未満の範囲が第2範囲として規定され、電圧VB以上電圧VC未満の範囲が第3範囲として規定され、電圧VC以上電圧VD未満の範囲が第4範囲として規定される。
詳細には、セレクター280は、データdAで規定される電圧が0V以上0.6V未満である場合、すなわち、電圧Vinを10倍で増幅したときの電圧が上記第1範囲に含まれる場合、選択信号SaのみをHレベルとし、他の選択信号Sb、ScおよびSdをLレベルとする。また、セレクター280は、データdAで規定される電圧が0.6V以上1.4V未満である場合、すなわち、電圧Vinを10倍で増幅したときの電圧が上記第2範囲に含まれる場合、選択信号SbのみをHレベルとし、他の選択信号Sa、ScおよびSdをLレベルとする。同様に、セレクター280は、データdAで規定される電圧が1.4V以上2.6V未満である場合、すなわち、電圧Vinを10倍で増幅したときの電圧が上記第3範囲に含まれる場合、選択信号ScのみをHレベルとし、他の選択信号Sa、SbおよびSdをLレベルとし、データdAで規定される電圧が2.6V以上4.2V未満である場合、すなわち、電圧Vinを10倍で増幅したときの電圧が上記第4範囲に含まれる場合、選択信号SdのみをHレベルとし、他の選択信号Sa、SbおよびScをLレベルとする。
この例において、4つのトランジスター対は、トランジスター231a、232aの対、トランジスター231b、232bの対、トランジスター231c、232cの対、および、トランジスター231d、232dの対によって構成される。
4つのトランジスター対を構成する計8つのトランジスターのうち、ハイサイドのトランジスター231a、231b、231c、231dは、例えばPチャネル型の電界効果トランジスターであり、ローサイドのトランジスター232a、232b、232c、232dは、例えばNチャネル型の電界効果トランジスターである。
トランジスター231a、232a、231b、232b、231c、232c、231d、および232dの各ドレイン端子は共通接続されて、ノードN2となっている。なお、ノードN2は駆動回路120aの出力端であり、当該ノードN2の電圧、すなわち、駆動信号COM−Aの電圧をOutと表記している。
ノードN2の電圧Outは電圧VDよりも高くならないので、逆流を考慮する必要がない。このため、トランジスター231dに対してダイオードd1は設けられていない。同様にノードN2の電圧Outは電圧ゼロのグランドGndよりも低くならないので、トランジスター232aに対してダイオードd2は設けられていない。
この場合、給電線290gがグランドを兼ねる第1給電線となり、給電線290aが第2給電線および第3給電線となり、給電線290bが第4給電線となる。第2給電線および第3給電線を同じ給電線として概念するのでなく、別個の給電線としても概念することができる。
なお、信号Gt1およびGt2の最低電圧から最高電圧までの範囲は第1範囲に一致しているので、ゲートドライバー270aに限っていえば、イネーブルされたときに、信号Gt1をそのままトランジスター231aのゲート端子に、信号Gt2をそのままトランジスター232aのゲート端子に、それぞれ供給する。
詳細には、ゲートドライバー270bに限っていえば、イネーブルされたときに、信号Gt1の電圧を(14−6)/6倍するとともに、さらに6Vを上乗せしてトランジスター231bのゲート端子に供給し、信号Gt2の電圧についても、(14−6)/6倍するとともに、6Vを上乗せしてトランジスター232bのゲート端子に供給する。
同様に、ゲートドライバー270dは、電源を電圧VCおよびVDとするものであり、イネーブルされたときに、信号Gt1の最低電圧から最高電圧までの範囲を、電源の電圧VCから電圧VDまでの第4範囲にレベルシフトして、トランジスター231dのゲート端子に供給し、信号Gt2の最低電圧から最高電圧までの範囲を、上記第4範囲にレベルシフトして、トランジスター232dのゲート端子に供給する。詳細には、ゲートドライバー270dに限っていえば、イネーブルされたときに、信号Gt1の電圧を(42−26)/6倍するとともに、さらに26Vを上乗せしてトランジスター231bのゲート端子に供給し、信号Gt2の電圧についても、(42−26)/6倍するとともに、26Vを上乗せしてトランジスター232bのゲート端子に供給する。
ここでいうH、Lレベルは、ゲートドライバー270a、270b、270cおよび270dのそれぞれにおける電源の高位側電圧、低位側電圧である。例えば、ゲートドライバー270bは、電源を電圧VBおよび電圧VAとするので、高位側の電圧VBがHレベルであり、低位側の電圧VAがLレベルである。
ノードN3は、抵抗素子R2を介してグランドGndに接地される。このため、ノードN3の電圧Out2は、ノードN2の電圧Outを、抵抗素子R1、R2の抵抗値で規定される比、すなわち、R2/(R1+R2)で分圧した電圧となる。本実施形態において、分圧比は、1/10に設定される。換言すれば、電圧Out2は、電圧Outの1/10という関係にある。
なお、キャパシターCa、Cb、CcおよびCdの各容量は、本実施形態において、
Ca>Cb>Cc>Cd
となるように設定されている。
なお、キャパシターCag、Cba、CcbおよびCdcの各容量は、本実施形態では、互いにほぼ等しく、上記キャパシターCdの容量と比べて1/10〜1/100程度である。
上述したように、信号ainを電圧10倍で増幅した信号が駆動信号COM−A(図6参照)となるので、信号ainは、駆動信号COM−Aを電圧方向に1/10に圧縮した波形となる。また、駆動信号COM−Aは、印刷周期Taにおいて2つの同じ台形波形Adp1、Adp2が繰り返された波形であるので、信号ainも同様な繰り返し波形である。図13は、このような繰り返し波形のうち、1つの台形波形を示している。
なお、信号ainの電圧Vinは、駆動信号COM−Aの電圧の1/10であるので、信号ainを基準とするために、第1範囲から第4範囲までについては図12に示した電圧を1/10に換算している。
なお、図13における複数の電圧波形の各々については、説明の便宜上、縦スケールは必ずしも揃っていない。
期間P1のうち、タイミングt1に至る前の期間では、信号Sa、Sb、Sc、Sdのうち、信号ScのみがHレベルとなるので、ゲートドライバー270a、270bおよび270dがディセーブルとなる。このため、トランジスター231a、232a、231b、232b、231dおよび232dがオフする。
トランジスター232cがオフすると、電圧Outの低下が中断するが、電圧Vinの低下が継続しているので、再び電圧Out2が電圧Vin以上となる。このため、信号Gt2がHレベルとなって、トランジスター232cが再びオンすることになる。
期間P1のうち、タイミングt1に至る前の期間では、信号Gt2がHおよびLレベルで交互に切り替えられ、これにより、トランジスター232cは、オンオフを繰り返す動作、すなわちスイッチング動作をすることになる。このスイッチング動作により、第3範囲において電圧Out2が電圧Vinに追従するように、すなわち、電圧Outが、電圧Vinを10倍した電圧となるように制御される。
一方、タイミングt1からタイミングt2までの期間では、ゲートドライバー270bがイネーブルされるので、信号Gt1としてHレベルが選択されて、トランジスター231bがオフする。
また、タイミングt1からタイミングt2までの期間においても、セレクター223は、信号Gt2として差動増幅器221の出力信号を選択するので、トランジスター232bは、タイミングt1に至る前のトランジスター232cと同様にスイッチング動作する。このスイッチング動作により、第2範囲においても、電圧Outが、電圧Vinを10倍した電圧となるように制御される。
一方、期間P1のうち、タイミングt2からの期間では、ゲートドライバー270aがイネーブルとなるが、信号Gt1としてHレベルが選択されるので、トランジスター231aがオフする。
また、期間P1のうち、タイミングt2からの期間においても、セレクター223は、信号Gt2として差動増幅器221の出力信号を選択するので、トランジスター232aは、タイミングt1に至る前のトランジスター232c、および、タイミングt1からタイミングt2までの期間のトランジスター232bと同様にスイッチング動作する。このスイッチング動作により、第1範囲においても、電圧Outが、電圧Vinを10倍した電圧となるように制御される。
なお、期間P1の終了までトランジスター232aがスイッチング動作しているので、期間P2の開始時において電圧Outは、電圧Vinの電圧を10倍した電圧Vminにほぼ一致している。期間P2において、4つのトランジスター対を構成するトランジスターのすべてオフになっても、ノードN2の電圧Outは、キャパシターC0および圧電素子Pztの容量性によりほぼ最低電圧Vminで保持されることとなる。
一方、期間P3のうち、タイミングt3に至る前の期間では、ゲートドライバー270aがイネーブルとなるが、信号Gt2としてLレベルが選択されるので、トランジスター232aがオフする。
また、期間P3のうち、タイミングt3に至る前の期間では、信号ainの電圧VinがノードN2における電圧Outの1/10である電圧Out2よりも先んじて上昇する。逆にいえば、電圧Out2は、電圧Vin未満となる。このため、信号Gt1として選択される差動増幅器221の出力信号の電圧は、両者の差電圧に応じて低くなり、ほぼLレベルに振れる。信号Gt1がHレベルになると、トランジスター231aがオンするので、電圧Outが上昇する。なお、電圧Outは、キャパシターC0および圧電素子Pztの容量性により、一気に上昇することはなく、緩慢に上昇する。
トランジスター231aがオフすると、電圧Outの上昇が中断するが、電圧Vinの上昇が継続しているので、再び電圧Out2が電圧Vin未満となる。このため、信号Gt1がLレベルとなって、トランジスター231aが再びオンすることになる。
期間P3のうち、タイミングt3に至る前の期間では、信号Gt1がHおよびLレベルで交互に切り替えられ、これにより、トランジスター231aがスイッチング動作することになる。このスイッチング動作により、第1範囲において電圧Outが、電圧Vinを10倍した電圧となるように制御される。
一方、タイミングt3からタイミングt4までの期間では、ゲートドライバー270bがイネーブルされるので、信号Gt2としてLレベルが選択されて、トランジスター232bがオフする。
また、タイミングt3からタイミングt4までの期間においても、セレクター223は、信号Gt1として差動増幅器221の出力信号を選択するので、トランジスター231bは、タイミングt3に至る前のトランジスター231aと同様にスイッチング動作する。このスイッチング動作により、第2範囲においても、電圧Outが、電圧Vinを10倍した電圧となるように制御される。
また、タイミングt6から期間P3が終了するまでは、信号SdのみがHレベルとなるので、トランジスター231dのスイッチング動作により、第4範囲においても、電圧Outが、電圧Vinを10倍した電圧となるように制御される。
なお、期間P3の終了までトランジスター231aがスイッチング動作しているので、期間P4の開始時においては、電圧Outは、電圧Vinの電圧を10倍した電圧Vmaxにほぼ一致している。このため、ノードN2の電圧Outは、キャパシターC0および圧電素子Pztの容量性によりほぼ最低電圧Vmaxで保持されることとなる。
また、タイミングt6から期間P5が終了するまでは、信号ScのみがHレベルとなるので、トランジスター232cdのスイッチング動作により、第3範囲において、電圧Outが、電圧Vinを10倍した電圧となるように制御される。
P=(C・E2)/2
で表される。
圧電素子Pztは、エネルギーPに伴う変位によって仕事をするが、インクを吐出させる仕事量は、エネルギーPに対して1%以下であり、エネルギーPの全体でみたときには無視できる。このため、圧電素子Pztは、駆動回路120a、120bからみれば、単なるキャパシターとみなすことができる。このような容量Cのキャパシターを充電すると、
(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。
P=C・422/2
=882C
となる。
電圧ゼロから電圧VA( 6.0ボルト)まで、
電圧VA から電圧VB(14.0ボルト)まで、
電圧VB から電圧VC(26.0ボルト)まで、
電圧VC から電圧VD(42.0ボルト)まで、
という4段階を経て充電される。
この場合の4段階を経た充電に要するエネルギーPは、
P=C・62/2+C・82/2+C・122/2+C・162/2 …(1)
=250C
で済む。
この図に示されるように、圧電素子Pztの容量は、印加電圧が高いほど小さくなる特性となっている。端的にいえば、高電圧が印加される場合の当該圧電素子Pztにおける容量は、低電圧が印加される場合の当該圧電素子Pztにおける容量よりも小さい。すなわち、同じ電圧幅で圧電素子Pztを充放電する場合、印加電圧が高ければ、容量Cが小さくなるので、消費電力が小さくて済むが、印加電圧が低ければ、容量Cが大きくなるので、同じ電圧幅の充放電でも消費電力が相対的に大きくなってしまうのである。
第1範囲での印加電圧時における容量をCA0、
第2範囲での印加電圧時における容量をCBA、
第3範囲での印加電圧時における容量をCCB、
第4範囲での印加電圧時における容量をCDC、
と表記することにする。
厳密にいえば、例えば第1範囲においては容量CA0も印加電圧に応じて変動するが、ここでは説明のために当該範囲での平均値としている。また、圧電素子Pztの他端は電圧ゼロではなく、電圧VBSが印加されるので、圧電素子Pztの印加電圧は(Out−VBS)であるが、実際には、電圧VBSはゼロ近傍に設定されるので、その影響は無視し得る。
P=CA0・62/2+CBA・82/2+CCB・122/2+CDC・162/2 …(2)
となる。
各容量は、電圧依存性により
CA0>CBA>CCB>CDC
である。
このため、上記(2)式右辺の各項における電圧と容量との積同士を比較したとき、(1)式と比較して揃えることができるので、消費電力を、電圧幅を一定とする場合より低く抑えることができるのである。
このようなスイッチング動作によって給電線290g、290a、290b、290cおよび290dに高周波ノイズが乗りやすい。
本実施形態では、トランジスター対の電源となる給電線間に、キャパシターCag、Cba、CcbおよびCdcが設けられるので、上記高周波ノイズが吸収される。これにより、駆動回路120a(120b)では、各トランジスター対における動作の安定化が図られる。
したがって、キャパシターCag、Cba、CcbおよびCdcは、上記高周波ノイズを吸収できる程度に高周波特性が良好であって、かつ、小容量であることが好ましい。
上述したように、圧電素子Pztの容量は、印加電圧が低ければ大きくなる。換言すれば、圧電素子Pztを負荷としてみた場合、印加電圧が低ければ電源Ea、Eb、EcおよびEdからみたときの負荷が大きくなることを意味している。このため、本実施形態では、キャパシターCa、Cb、CcおよびCdの各容量については、
Ca>Cb>Cc>Cd
に設定し、電圧が低いほど大きくして、安定性を確保しているのである。
また、信号ainの電圧Vinの変化が相対的に小さければ、具体的には、単位時間当たりの電圧変化が上記閾値以下であれば、信号OEaをHレベルとすれば良い。
また、トランジスター対のうち、ハイサイドのトランジスター231a(231b、232c、232d)をPチャネル型とし、ローサイドのトランジスター232a(232b、232c、232d)をNチャネル型としたが、トランジスター231a、232aをPチャネル型またはNチャネル型で揃えても良い。なお、トランジスターのチャネル型に合わせて、差動増幅器221による出力信号を正転または反転させたり、トランジスターを強制オフさせるときのゲート信号の論理レベルを適宜合わせたりする必要がある。
また、互いに異なる複数の台形波形を所定順に繰り返す1種類の駆動信号のなかから、印刷データSIに応じて1種以上の台形波形を抜き出して圧電素子Pztの一端に印加する構成(シングルコム)としても良い。
なお、駆動回路120aおよび120bがメイン基板100に実装された構成では、大振幅の信号が長尺のフレキシブルフラットケーブル190を介してヘッドユニット3に供給する必要があるので、消費電力および耐ノイズ性で不利である。逆に言えば、駆動回路120aおよび120bがヘッドユニット3に搭載された構成では、大振幅の信号をフレキシブルフラットケーブル190に供給する必要がないので、消費電力および耐ノイズ性で有利である。
Claims (7)
- 元駆動信号を、第1電圧と、前記第1電圧よりも高い第2電圧と、前記第2電圧以上の
第3電圧と、前記第3電圧よりも高い第4電圧とを用いて増幅して、所定の出力端から出
力する増幅回路と、
駆動信号によって駆動される圧電素子を含み、当該圧電素子の変位によって液体を吐出
させる吐出部と、
を備え、
前記増幅回路は、
第1トランジスター対と、
第2トランジスター対と、
前記第1電圧が印加された第1給電線と、
前記第2電圧が印加された第2給電線と、
前記第3電圧が印加された第3給電線と、
前記第4電圧が印加された第4給電線と、
第1キャパシターと、
第2キャパシターと、
第3キャパシタ―と、
を含み、
前記圧電素子の容量は、
当該圧電素子に高電圧が印加される場合の方が低電圧が印加される場合よりも小さくな
り、
前記第1トランジスター対は、前記元駆動信号を前記第1電圧および前記第2電圧の間
で増幅し、
前記第2トランジスター対は、前記元駆動信号を前記第3電圧および前記第4電圧の間
で増幅し、
前記第1キャパシターの一端は前記第1給電線に接続され、前記第1キャパシターの他
端は前記第2給電線に接続され、
前記第2キャパシターの一端は前記第3給電線に接続され、前記第2キャパシターの他
端は前記第4給電線に接続され、
前記第3キャパシタ―の一端は前記第2給電線に接続され、前記第3キャパシタ―の他
端はグランドに接地され、
前記第3キャパシターの容量は、前記第1キャパシターの容量よりも大きい
ことを特徴とする液体吐出装置。 - 一端が前記第4給電線に接続され、他端がグランドに接地された第4キャパシターを含
み、
前記第3キャパシターの容量は、前記第4キャパシターの容量よりも大きい、
ことを特徴とする請求項1に記載の液体吐出装置。 - 前記増幅回路は、
前記元駆動信号と前記駆動信号に基づく信号との差電圧を増幅した差信号を出力する差
動増幅器と、
選択部と、
を有し、
前記第1トランジスター対は、
前記出力端と前記第1給電線との間に接続された第1ローサイドトランジスターと、
前記第2給電線と前記出力端との間に接続された第1ハイサイドトランジスターと、
を含み、
前記第2トランジスター対は、
前記出力端と前記第3給電線との間に接続された第2ローサイドトランジスターと、
前記第4給電線と前記出力端との間に接続された第2ハイサイドトランジスターと、
を含み、
前記選択部は、
当該元駆動信号の電圧変化が低下方向であり、かつ、前記電圧変化の大きさが閾値を超
える第1の場合に、前記元駆動信号の電圧が所定の第1範囲であれば、前記第1ローサイ
ドトランジスターのゲート端子に向けて前記差信号を供給し、
当該元駆動信号の電圧変化が上昇方向であり、かつ、前記電圧変化の大きさが前記閾値
を超える第2の場合に、前記元駆動信号の電圧が前記第1範囲であれば、前記第1ハイサ
イドトランジスターのゲート端子に向けて前記差信号を供給し、
前記第1の場合に、前記元駆動信号の電圧が前記第1範囲よりも高位の第2範囲であれ
ば、前記第2ローサイドトランジスターのゲート端子に向けて前記差信号を供給し、
前記第2の場合に、前記元駆動信号の電圧が前記第2範囲であれば、前記第2ハイサイ
ドトランジスターのゲート端子に向けて前記差信号を供給する、
ことを特徴とする請求項1に記載の液体吐出装置。 - 前記選択部は、
前記第1の場合に、
前記第1ハイサイドトランジスターのゲート端子および前記第2ハイサイドトランジス
ターのゲート端子に向けて、当該ハイサイドトランジスターをそれぞれオフさせる信号を
供給し、
前記第2の場合に、
前記第1ローサイドトランジスターのゲート端子および前記第2ローサイドトランジス
ターのゲート端子に向けて、当該ローサイドトランジスターをそれぞれオフさせる信号を
供給する
ことを特徴とする請求項3に記載の液体吐出装置。 - 前記選択部は、
前記元駆動信号の電圧変化の大きさが前記閾値以下の場合、
前記第1ローサイドトランジスターのゲート端子、前記第2ローサイドトランジスター
のゲート端子、前記第3ハイサイドトランジスターのゲート端子、および、前記第4ハイ
サイドトランジスターのゲート端子に、当該トランジスターをそれぞれオフさせる信号を
供給する、
ことを特徴とする請求項4に記載の液体吐出装置。 - 前記選択部は、
前記元駆動信号の電圧変化が閾値以下であるか否かを示す指定信号に基づいて、前記各
ゲート端子にそれぞれ供給する信号を制御する
ことを特徴とする請求項3乃至5のいずれかに記載の液体吐出装置。 - 所定の出力端から出力される駆動信号によって、高電圧が印加される場合の方が、低電
圧が印加される場合よりも容量が小さくなる圧電素子を駆動する駆動回路であって、
前記駆動回路は、
前記駆動信号の元となる元駆動信号を、第1電圧と、前記第1電圧よりも高い第2電圧
と、前記第2電圧以上の第3電圧と、前記第3電圧よりも高い第4電圧とを用いて増幅し
て、前記出力端から出力する増幅回路を有し、
前記増幅回路は、
第1トランジスター対と、
第2トランジスター対と、
前記第1電圧が印加された第1給電線と、
前記第2電圧が印加された第2給電線と、
前記第3電圧が印加された第3給電線と、
前記第4電圧が印加された第4給電線と、
第1キャパシターと、
第2キャパシターと、
第3キャパシタ―と、
を含み、
前記第1トランジスター対は、前記元駆動信号を前記第1電圧および前記第2電圧の間
で増幅し、
前記第2トランジスター対は、前記元駆動信号を前記第3電圧および前記第4電圧の間
で増幅し、
前記第1キャパシターの一端は前記第1給電線に接続され、前記第1キャパシターの他
端は前記第2給電線に接続され、
前記第2キャパシターの一端は前記第3給電線に接続され、前記第2キャパシターの他
端は前記第4給電線に接続された
前記第3キャパシタ―の一端は前記第2給電線に接続され、前記第3キャパシタ―の他
端はグランドに接地され、
前記第3キャパシターの容量は、前記第1キャパシターの容量よりも大きい
ことを特徴とする圧電素子の駆動回路。
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