JP5564855B2 - 液体噴出装置及び液体噴出方法 - Google Patents
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Description
本発明は、トランジスタを有する電流増幅回路を流れる電流を極力減少させることで、トランジスタで消費される分の電力を抑え、発熱を低減することを課題としている。
このような液体噴出装置によれば、各スイッチのON/OFFを制御することで、インダクタ部を流れる電流を独立してコントロールすることができる。したがって、電流増幅回路のトランジスタにおいて消費される電力を抑えることが可能となり、従来のようにアナログ式の駆動信号生成回路のみを用いてピエゾ素子に充放電を行う場合と比較して、発熱を低減することができる。
このような液体噴出装置によれば、トランジスタを介すことなくインダクタにエネルギーを蓄えることができ、トランジスタにおける電力の消費や発熱を低減することができる。
このような液体噴出装置によれば、トランジスタを介すことなく、インダクタからピエゾ素子に充電をすることができ、トランジスタにおける電力の消費や発熱を低減することができる。
このような液体噴出装置によれば、トランジスタを介すことなく、ピエゾ素子からインダクタに充電をすることができ、トランジスタにおける電力の消費や発熱を低減することができる。
このような液体噴出装置によれば、トランジスタを流れる電流が、インダクタからピエゾ素子に供給する電流の過不足分のみとなるため、トランジスタ部での発熱を低減しつつ、ピエゾ素子PZTを安定的に動作させることができる。
このような液体噴出装置によれば、トランジスタを流れる電流が、ピエゾ素子からインダクタに放出する電流の過不足分のみとなるため、トランジスタ部での発熱を低減しつつ、ピエゾ素子PZTを安定的に動作させることができる。
このような液体噴出装置によれば、インダクタに流れる電流の波形を精度よく制御することができ、ピエゾ素子PZTをより正確に動作させることができる。
発明を実施するための液体噴出装置の形態として、インクジェットプリンター(プリンター1)を例に挙げて説明する。
図1は、プリンター1の全体構成を示すブロック図である。
プリンター1は、紙・布・フィルム等の媒体に文字や画像を記録(印刷)する液体噴出装置であり、外部装置であるコンピューター110と通信可能に接続されている。
コンピューター110はプリンター1に画像を印刷させるため、印刷させる画像に応じた印刷データをプリンター1に出力する。
図2は、本実施形態のプリンター1の構成を表した図である。
搬送ユニット20は、媒体(例えば紙Sなど)を所定の方向(以下、搬送方向という)に搬送させるためのものである。ここで、搬送方向はキャリッジの移動方向と交差する方向である。搬送ユニット20は、給紙ローラー21と、搬送モーター22と、搬送ローラー23と、プラテン24と、排紙ローラー25とを有する(図2A及び図2B)。
キャリッジユニット30は、ヘッドユニット40が取り付けられたキャリッジ31を所定の方向(以下、移動方向という)に移動(「走査」とも呼ばれる)させるためのものである。キャリッジユニット30は、キャリッジ31と、キャリッジモーター32(CRモータとも言う)とを有する(図2A及び図2B)。
キャリッジ31は、移動方向に往復移動可能であり、キャリッジモーター32によって駆動される。キャリッジモーター32の動作はプリンター側のコントローラー60により制御される。また、キャリッジ31は、インクを収容するインクカートリッジを着脱可能に保持している。
ヘッドユニット40は、紙Sにインクを噴出するためのものである。ヘッドユニット40は、複数のノズルを有するヘッド41を備える。このヘッド41はキャリッジ31に設けられ、キャリッジ31が移動方向に移動すると、ヘッド41も移動方向に移動する。そして、ヘッド41が移動方向に移動中にインクを断続的に噴出することによって、移動方向に沿ったドットライン(ラスタライン)が紙に形成される。
検出器群50は、プリンター1の状況を監視するためのものである。検出器群50には、リニア式エンコーダ51、ロータリー式エンコーダ52、紙検出センサ53、及び光学センサ54等が含まれる(図2A及び図2B)。
コントローラー60は、プリンターの制御を行うための制御ユニット(制御部)である。コントローラー60は、インターフェース部61と、負荷カウンター62と、CPU63と、メモリ64と、ユニット制御回路65と、プリドライバ66とを有する。
図4Aは、本実施形態における駆動信号生成回路(アナログ式)80の構成を示すブロック図である。駆動信号生成回路(アナログ式)80は、ピエゾ素子PZTを伸縮させてインクを噴出するための駆動信号COMを生成する。従来はこのような回路により生成された駆動信号のみにより印刷を行うことが一般的であった。図4Aに示すように、駆動信号生成回路(アナログ式)80は、波形生成回路81と、電流増幅回路82と、コンパレーター83と、抵抗84と、差動前段増幅回路86と、を有する。以下、駆動信号生成回路(アナログ式)80のことを単純にアナログ回路80ともいう。
プリンター1の印刷動作について簡単に説明する。コントローラー60は、コンピューター110からインターフェース部61を介して印刷命令を受信し、各ユニットを制御することにより、給紙処理・ドット形成処理・搬送処理等を行う。
次の紙に印刷を行う場合は同処理を繰り返し、行わない場合は、印刷動作を終了する。
図5に、本実施形態における駆動信号生成回路(デジタル式)70の構成を示す。
本実施形態における駆動信号生成回路(デジタル式)70は、ピエゾ素子PZTを駆動するための充放電を、前述のアナログ回路80とは別に、インダクタを用いることによって行う。駆動信号生成回路(デジタル式)70は、インダクタ71と、入力側回路72と、出力側回路73とから構成される。以下、駆動信号生成回路(デジタル式)70のことを単純にデジタル回路70ともいう。
インダクタ71は、あらかじめ電流を流すことにより電磁エネルギーとしてエネルギーを蓄え、ピエゾ素子PTZへの充電時には電流源として、また、ピエゾ素子PTZの放電時には放電先として機能する。
インダクタ71の両端はそれぞれ入力側回路72及び出力側回路73に接続される。インダクタ71にエネルギーを蓄える際には入力側回路72を介して主電源Vddからインダクタ71へと電流が流れ、蓄えたエネルギーは出力側回路73を介してピエゾ素子PZTに電流として供給されることで、ピエゾ素子PZTの充電を行う。そして、ピエゾ素子PZTの放電時には、入力側回路72を介してインダクタ71へと電流が流れ、出力側回路73を介してグランドに放電、または主電源Vddに電流が回生される。回路全体の動作の詳細については後で説明する。
入力側回路72は、インダクタ71の入力側に、主電源Vddの電圧またはグランド電圧を選択的に印加したり、ピエゾ素子PZTから放電された電流をインダクタ71に印加したりするために用いられる。入力側回路72は、MOSFET(P型)721と、MOSFET(N型)722と、MOSFET(N型)723と、ダイオード724とから構成される。
出力側回路73は、インダクタ71の出力側に、主電源Vddの電圧またはグランド電圧を選択的に印加したり、ピエゾ素子PZTを充電するための電流をインダクタ71から印加したりするために用いられる。出力側回路73は、MOSFET(P型)731と、MOSFET(N型)732と、MOSFET(P型)733と、ダイオード734と、ダイオード735とから構成される。
ダイオード735は、インダクタ71に蓄えられたエネルギーを完全放電する際(後述のSTATE9)に、主電源Vddへと回生させる方向に電流を流すために設けられる。
まず、印刷動作1サイクル(ピエゾ素子PZTがインクを1回噴出するために行われる動作サイクル)において、インダクタ71に流れる電流の波形について説明する。
この場合、OFFとなったMOSFET723及びMOSFET733により、インダクタ71には、ピエゾ素子PZTやアナログ回路とは独立して電流が流れる。すなわち、アナログ回路80のトランジスタ821及び822を介さずに、インダクタ71に電流を流すことができる。したがって、トランジスタで電力を消費することなく、インダクタにエネルギーを蓄えることが可能になる。
電流は、図7Aに示されるように、主電源VddからMOSFET721を介してインダクタ71の入力側へ、そして、インダクタ71の出力側からMOSFET732を介してグランドへと流れる。これにより、電流がインダクタ71を流れ、インダクタ71には電磁エネルギーが蓄えられる。
電流は、図7Bに示されるように、グランドから入力側のスイッチ素子であるMOSFET722を介してインダクタ71へ、そして、出力側のスイッチ素子であるMOSFET731を介して主電源Vddへと流れる。この場合、電流はインダクタ71の入力側から出力側へと流れるが、これは、電位が低い側(グランド)から電位が高い側(主電源Vdd)へと向かう方向となるため、インダクタ71のエネルギーは徐々に減少(放電)していき、図6Bに示されるように電流ILは弱くなっていく。
電流は、図7Cに示されるように、主電源Vddから入力側のスイッチ素子であるMOSFET721を介してインダクタ71へ、そして、出力側のスイッチ素子であるMOSFET733及びダイオード734を介してピエゾ素子PZTへと流れる。これにより、インダクタ71に蓄えられていた電磁エネルギーが電流としてピエゾ素子PZTに印加される。同時にインダクタ71にもさらにエネルギーが蓄えられ、図6Bに示されるように電流ILは強くなっていく。
電流は、図7Eに示されるように、ピエゾ素子PZTから入力側のダイオード724及びMOSFET723を介してインダクタ71へ、そして、出力側のスイッチ素子であるMOSFET732を介してグランドへと流れる。これにより、ピエゾ素子PZTに蓄えられた電荷は、インダクタ71を通りグランドへ放電される。この際、インダクタ71にも一部エネルギーが蓄えられ、図6Bに示されるように電流ILは強くなっていく。
次に、駆動波形生成のための制御方法について説明する。図8は印刷動作1サイクルにおける波形IL生成のためにコントローラー60が行う制御フローである。
予備充電期間は、遷移時間tgとスイッチング時間tswとの和から算出される。遷移時間tgとは、各STATEの持続時間であり、図6Bにおいては破線で区切られた各STATEの幅で表される。スイッチング時間tswはMOSFETをON/OFF制御する際の損失時間である。例えば、セグメント1の予備充電時間(STATE1の幅)は、遷移時間が約100ns、スイッチング時間が約50nsで、合計150ns(ナノ秒)程度となる。
また、予備充電期間計算(S102)では、駆動波形COMを生成するために、アナログ回路80とデジタル回路70を組み合わせて使用するか、それともアナログ回路80のみを使用してデジタル回路70を使用しないかの判断も行う。つまり、ピエゾ素子PZTを駆動するためにインダクタ71を使用するか否かの判断を行う。詳細は後述する。
本実施形態において、主電源Vdd=42Vであるとき、セグメント1(充電)の開始時の電圧VCO1は12Vであり(図6A)、VCO1(=12V)<Vdd/2(=21V)となる。狙いの電流値ILT1に対して、アナログ回路80の充放電用トランジスタを介して過不足分の電流を補償しようとする場合、電流値をZとすると、充電用トランジスタ821を介して主電源Vddから不足分電流として充電するならば、(Vdd−VCO1)Z=(42−12)Z=30Zのエネルギーを消費する。一方、放電用トランジスタ822を介してグランドへ余剰分電流として放電するならば、(VCO1−0)Z=(12−0)Z=12Zのエネルギーを消費する。
つまり、充電時においてVC<Vdd/2の場合は、所定の電流値ILTよりも大きめのインダクタ電流ILを流しておき、放電用トランジスタ822からグランドに放電したほうが、トランジスタで消費されるエネルギーが少なくなり、発熱を低減することができる。したがって、セグメント1の開始時(充電時)においては、所要の電流値ILT1より大きめの電流ILO1を最初に流しておき、STATE4の正放電印加を行ってインダクタ電流ILを減少させつつ、余剰分の電流をトランジスタ822から放出している(図6B)。
つまり、放電時においてVdd/2<VCの場合は、所定の電流値ILTよりも大きめのインダクタ電流ILを流しておき、充電用トランジスタ821から不足分の電流を供給したほうが、トランジスタで消費されるエネルギーが少なくなり、発熱を低減することができる。したがって、この場合(放電時)は、所要の電流値ILT2より大きめの電流ILO2を最初に流しておき、STATE6の逆放電印加を行ってインダクタ電流ILを減少させつつ、トランジスタ821からピエゾ素子に充電している(図6B)。
例えば、図6Bにおいて、セグメント1で狙いの電流値ILT1に対して、最小誤差1Aとすると、ILの値がILT1±1Aとなる範囲でSTATE3とSTATE4を切り替える時間が印加時間となる。つまり、狙いの電流値ILTを基準として電流値ILの増減によってフィードバック制御をするのではなく、あらかじめ予測計算した時間を基準として制御を行う(予測制御)。これにより、各STATEの切り替えごとにフィードバック制御をする場合よりもCPU(DSP)63にかかる負荷が軽くなり、高速の印刷にも対応可能となる。
本実施形態による効果を説明するために、まず、比較例としてアナログ回路80のみにより、駆動信号COMを生成する場合について考える。前述の通り、アナログ回路80では、駆動波形生成回路81により生成されたアナログ信号を充放電用のトランジスタで増幅することによって駆動信号COMを生成する。この場合、電流増幅時にトランジスタを流れる電流は、エネルギーとして消費され、発熱の原因となっていた。
すなわち、インダクタ電流ILの波形の“のこぎりの刃”に該当する部分と、電流の狙い値ILTとの差分を、アナログ回路80を用いて補償することで、平滑化している。
例えば、ピエゾ素子PZTに対して、デジタル回路70を並列に並べる構成とすれば、一方のデジタル回路のインダクタからピエゾ素子PZTに充電している間に、他方のデジタル回路のインダクタに主電源Vddからエネルギーを蓄えるといった制御も可能となる。これにより、より詳細で複雑な駆動信号が生成可能になるため、ノズルから液体を噴出する量などを細かく設定することで、さらに高精度の印刷を実現し得る。
本実施形態では、ピエゾ素子PZTに充放電を行い、動作させることで液体を噴出させる。ピエゾ素子への充放電は、エネルギーを蓄えたインダクタ71を用いる。インダクタの入力側端と主電源Vddとの間にはスイッチ721が、インダクタの入力側端とピエゾ素子との間にはスイッチ723がそれぞれ設けられており、インダクタの出力側端とピエゾ素子との間にはスイッチ732が、インダクタの出力側端とグランドとの間にはスイッチ733がそれぞれ設けられている。各スイッチのON/OFFはCPU63により制御される。印刷時には、各スイッチのON/OFFを適宜切り替えることで、独立してインダクタに電流を流すことができる。
例えば、インダクタにエネルギーを蓄える際には、スイッチ723とスイッチ733は両方OFFとし、スイッチ721とスイッチ732を両方ONにする。これにより、トランジスタによる電流増幅を行わなくても、インダクタにエネルギーを蓄えることが可能になり、トランジスタで消費される分の電力を低減することができる。
インダクタからトランジスタを介さずにピエゾ素子への充放電を行うことで、従来のようにトランジスタを用いて電流を増幅しながらピエゾ素子を動作させる場合よりも、消費電力や発熱を低減することができる。
一方、ピエゾ素子PZTからインダクタ71へ放電を行う際には、インダクタ電流ILが所要の電流値ILTよりも小さい場合には、放電用トランジスタ822を介してグランドに余剰分を放出し、ILが所要の電流値ILTよりも大きい場合には、充電用トランジスタ821を介して主電源Vddから不足分を充電する。
これにより、トランジスタを流れる電流は、インダクタ電流ILの過不足を補償した分だけとなるため、発熱を低減しつつ、所要の電流値ILTを正確に流すことで、ピエゾ素子PZTを正確に動作させることが可能になる。
これにより、インダクタ電流ILの波形を精度よく制御することができ、ピエゾ素子PZTをより正確に動作させることができる。
一実施形態としてのプリンター等を説明したが、上記の実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得ると共に、本発明にはその等価物が含まれることは言うまでもない。特に、以下に述べる実施形態であっても、本発明に含まれるものである。
前述の各実施形態では、発熱を低減した液体噴出装置の一例としてプリンターが説明されていたが、これに限られるものではない。例えば、カラーフィルタ製造装置、染色装置、微細加工装置、半導体製造装置、表面加工装置、三次元造型機、液体気化装置、有機EL製造装置(特に高分子EL製造装置)、ディスプレイ製造装置、成膜装置、DNAチップ製造装置などのインクジェット技術を応用した各種の液体噴出装置に、本実施形態と同様の技術を適用してもよい。
前述の各実施形態では、電流増幅回路82が有する充電用トランジスタとしてNPN型トランジスタ821を例示し、放電用トランジスタとしてPNP型トランジスタ822を例示した。しかし、電圧波形信号COM´(アナログ信号)について電流の増幅を行えるものであれば、他の種類のトランジスタを用いてもよい。
前述の各実施形態では、スイッチ素子としてMOSFETを例示して説明したが、これに限られるものではない。コントローラー60により、ON/OFFの制御が自在であり、応答性に問題がなければリレー等他のスイッチ素子を用いてもよい。
前述の各実施形態では、液体を噴出させるための動作を行う素子としてピエゾ素子PZTを例示したが、他の素子であってもよい。例えば、発熱素子や静電アクチュエーターを用いてもよい。
前述の各実施形態では、ヘッド41をキャリッジとともに移動させるタイプのプリンター1を例に挙げて説明したが、プリンターはヘッドが固定された、いわゆるラインプリンターでもよい。
22 搬送モータ、23 搬送ローラー、24 プラテン、
25 排紙ローラー、30 キャリッジユニット、
31 キャリッジ、32 キャリッジモーター、
40 ヘッドユニット、41 ヘッド、411 ケース、
412 流路ユニット、412a 流路形成板、
412b 弾性板、412c ノズルプレート、
412d 圧力室、412e ノズル連通口、
412f 共通インク室、412g インク供給路、
412h アイランド部、412i 弾性膜、
50 検出器群、51 リニア式エンコーダ、
52 ロータリー式エンコーダ、53 紙検出センサ、
54 光学センサ、60 コントローラー、
61 インターフェース部、62 負荷カウンター、
63 CPU、64 メモリ、65 ユニット制御回路、
66 プリドライバ、70 駆動信号生成回路(デジタル式)、
71 インダクタ、72 入力側回路、721 MOSFET(P型)、
722 MOSFET(N型)、723 MOSFET(N型)、
724 ダイオード、73 出力側回路、731 MOSFET(P型)、
732 MOSFET(N型)、733 MOSFET(P型)、
734 ダイオード、735 ダイオード、
80 駆動信号生成回路(アナログ式)、81 波形生成回路、
811 DAC回路、812 プリアンプ、82 電流増幅回路、
821 NPN型トランジスタ、822 PNP型トランジスタ、
83A コンパレーター、83B コンパレーター、84A 抵抗、
84B 抵抗、85A 電流計、85B 電流計、
86 差動前段増幅回路、110 コンピューター
Claims (8)
- 充電、または、放電することにより動作して、液体を噴出する圧電素子と、
エネルギーを蓄えることにより、前記圧電素子に充電、または、放電を行うインダクタと、
前記インダクタの入力端と第1の電源との間に設けられた第1スイッチと、
前記インダクタの出力端と前記第1の電源よりも低い電位を有する第2の電源との間に設けられた第2スイッチと、
前記インダクタの入力端と前記圧電素子との間に設けられた第3のスイッチと、
前記インダクタの出力端と前記圧電素子との間に設けられた第4のスイッチと、
前記各スイッチのON/OFFを制御する制御部と、
を備える液体噴出装置。 - 請求項1に記載の液体噴出装置であって、
前記第3のスイッチ及び前記第4のスイッチを共にOFFにして、
前記第1のスイッチ及び前記第2のスイッチを共にONにして、
前記第1の電源からインダクタを介して前記第2の電源に電流を流し、前記インダクタにエネルギーを蓄えることを特徴とする液体噴出装置。 - 請求項2に記載の液体噴出装置であって、
前記第3のスイッチをOFFにして、
前記第4のスイッチをONにすることで、
前記エネルギーを蓄えたインダクタから前記圧電素子に充電を行うことを特徴とする液体噴出装置。 - 請求項2または3に記載の液体噴出装置であって、
前記第3のスイッチをONにして、
前記第4のスイッチをOFFにすることで、
前記圧電素子から前記エネルギーを蓄えたインダクタに放電を行うことを特徴とする液体噴出装置。 - 請求項1〜4のいずれかに記載の液体噴出装置であって、
前記圧電素子に電流を供給する充電用トランジスタと、前記圧電素子から電流を放出させる放電用トランジスタとが相補的に接続された電流増幅部を有し、
前記インダクタから前記圧電素子に充電を行う際に、
前記インダクタから供給する電流が所要の電流値より小さい場合は、前記充電用トランジスタから差分の電流を供給し、
前記インダクタから供給する電流が所要の電流値より大きい場合は、前記放電用トランジスタから差分の電流を放出することを特徴とする液体噴出装置。 - 請求項5に記載の液体噴出装置であって、
前記電流増幅部を有し、
前記圧電素子から前記インダクタに放電を行う際に、
前記インダクタに放出する電流が所要の電流値より小さい場合は、前記放電用トランジスタから差分の電流を放出し、
前記インダクタに放出する電流が所要の電流値より大きい場合は、前記充電用トランジスタから差分の電流を供給することを特徴とする液体噴出装置。 - 請求項5または6に記載の液体噴出装置であって、
前記圧電素子の充放電を行う際に、前記放電用トランジスタおよび前記充電用トランジスタに流れる電流の大きさを、電流値、または、電圧値として検出する検出部と、
検出した前記電流の大きさを判定して、前記インダクタに流れる電流の大きさを調節する制御部と、
を備える液体噴出装置。 - エネルギーを蓄えたインダクタにより圧電素子に充放電を行うことと、
前記インダクタの入力端と第1の電源との間に設けられた第1スイッチと、前記インダクタの出力端と前記第1の電源よりも低い電位を有する第2の電源との間に設けられた第2スイッチと、前記インダクタの入力端と前記圧電素子との間に設けられた第3のスイッチと、前記インダクタの出力端と前記圧電素子との間に設けられた第4のスイッチと、のそれぞれについてON/OFFを制御することと、
充放電された前記圧電素子が駆動することで、液体を噴出する液体噴出方法。
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