JP2012111199A

JP2012111199A - 放電エネルギー回収装置及び画像形成装置

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Publication number: JP2012111199A
Application number: JP2010264230A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Iijima; 秀晃飯島
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2010-11-26
Filing date: 2010-11-26
Publication date: 2012-06-14
Anticipated expiration: 2030-11-26
Also published as: JP5533598B2; US20120133693A1; US8585168B2

Abstract

【課題】アクチュエータの放電電流を回収して有効な電力として再利用することにより消費電力を大きく低減する。
【解決手段】圧電素子が駆動されたときに放電される放電エネルギーを回収する放電エネルギー回収装置であって、圧電素子を駆動する電圧を生成する駆動電圧生成手段と、駆動電圧生成手段により圧電素子が駆動されたとき、圧電素子から放電される電圧を監視する放電電圧監視手段と、放電電圧監視手段により監視された電圧に対応する電流エネルギーをそれぞれ消費する第１及び第２の負荷回路と、放電される電圧が、第１の負荷回路を駆動する第１の電圧値以上の場合には、第１の負荷回路で消費可能な電流エネルギーを供給する第１の電流供給手段と、放電される電圧が、第１の電圧値以下であって、第２の負荷回路を駆動する第２の電圧値以上の場合には、第２の負荷回路で消費可能な電流エネルギーを供給する第２の電流供給手段とを設けた。
【選択図】図４

Description

本発明は、放電エネルギー回収装置及びこれを備えた画像形成装置に関する。

図８に示すように、電圧を印加して圧電素子（以下、「アクチュエータ」ともいう。）を駆動することにより、インク滴を吐出して記録媒体に印字を行う画像形成装置において、アクチュエータ駆動電圧波形の電流増幅を、バイポーラトランジスタを用いて行う方法が一般的に知られている。図８は、一般的な圧電素子駆動回路装置の構成について説明する回路図である。

図８において、記録ヘッド制御部８１からの制御信号により、電流増幅部８２を構成するバイポーラトランジスタＱ８３、Ｑ８４のベース端子が“Ｌ”になると共に、アナログスイッチ８６がＯＮすると、アクチュエータ８５に対して＋ＶＤＤの電圧が印加され、アクチュエータ充電電流Ａが流れると共に、アクチュエータ８５に充電された電圧であるＶｃｏｍの電圧がアクチュエータ放電電流Ｂとして、ＧＮＤに流れ込む。

しかしながら、図８に示した従来のバイポーラトランジスタを用いた電流増幅回路では、アクチュエータの駆動に使用する電力のほとんどがバイポーラトランジスタの熱損失となってしまい、無駄な電力を消費しているという問題があった。また、アクチュエータからのアクチュエータ放電電流Ｂを回収して、アクチュエータ駆動用電力として再利用するといった構成の発明も多数出願されているが、アクチュエータ放電電流を回収する電圧が低すぎるため、回収できる電力量が少ない点などの問題があった。

特許文献１には、アクチュエータに蓄積される電気エネルギーを有効に利用して消費電力を低減する目的で、アクチュエータの放電電流を、定電圧回路を介して充電用コンデンサに充電し、得られた電力をアクチュエータのグランド側の充電用電力として再利用する構成が開示されている。

しかしながら、アクチュエータのＧＮＤ側の電位がほとんど変化しないため、アクチュエータ放電電流を僅かしか回収することができず、多くのアクチュエータ放電電流がトランジスタの発熱で消費されてしまうという問題点は解消されていない。また、定電圧回路のトランジスタの逆耐圧を考慮すると、充電用コンデンサの電位は５Ｖ程度にする必要があり、多くの電力を回収することができないという問題点も解消されていない。

そこで本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、アクチュエータ駆動電圧波形への影響がない構成で、アクチュエータ駆動に使用する電力の一部を効率的に回収して有効な電力として再利用する放電エネルギー回収装置及びこれを備えた画像形成装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、請求項１に記載の本発明におけるエネルギー回収装置は、圧電素子が駆動されたときに前記圧電素子から放電される放電エネルギーを回収する放電エネルギー回収装置であって、前記圧電素子を駆動する電圧を生成する駆動電圧生成手段と、前記駆動電圧生成手段により前記圧電素子が駆動されたとき、前記圧電素子から放電される電圧を監視する放電電圧監視手段と、前記放電電圧監視手段により監視された電圧に対応する電流エネルギーをそれぞれ消費する第１及び第２の負荷回路と、前記放電される電圧が、前記第１の負荷回路を駆動する第１の電圧値以上である場合には、前記第１の負荷回路で消費可能な電流エネルギーを供給する第１の電流供給手段と、前記放電される電圧が、前記第１の負荷回路を駆動する前記第１の電圧値以下であって、前記第２の負荷回路を駆動する第２の電圧値以上である場合には、前記第２の負荷回路で消費可能な電流エネルギーを供給する第２の電流供給手段と、を有することを特徴とする。

また、本発明におけるエネルギー回収装置は、請求項１に記載の放電エネルギー回収装置において、前記第１の電流供給手段は、第１の定電圧回路と、前記第１の定電圧回路から前記第１の負荷回路に対する電流エネルギーの供給の有無を切り替える切替手段とを含み、前記切替手段は、制御部からの制御信号により制御されることを特徴とする。

さらに、本発明におけるエネルギー回収装置は、請求項１又は２に記載の放電エネルギー回収装置において、前記第２の電流供給手段は、第２の定電圧回路と、前記第２の定電圧回路から前記第２の負荷回路に対する電流エネルギーの供給の有無を切り替える切替手段とを含み、前記切替手段は、制御部からの制御信号により制御されることを特徴とする。

また、本発明におけるエネルギー回収装置は、請求項１か３の何れか１項に記載の放電エネルギー回収装置において、前記第１の電流供給手段は、前記第１の負荷回路から前記第１の定電圧回路へ向かう電流エネルギーの逆流を防止する第１の逆流防止手段をさらに含み、前記第２の電流供給手段は、前記第２の負荷回路から前記第２の定電圧回路へ向かう電流エネルギーの逆流を防止する第２の逆流防止手段をさらに含むことを特徴とする。

さらに、本発明における画像形成装置は、請求項１から４の何れか１項に記載の放電エネルギー回収装置を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、アクチュエータの放電電流を回収して有効な電力として再利用することにより消費電力を大きく低減することができるという効果が得られる。

本発明の実施形態における画像形成装置の基本構成を示す構造図である。本発明の実施形態における画像形成装置の機能ブロックについて説明するブロック図である。本発明の実施形態における画像形成装置の記録ヘッド制御について説明するブロック図である。本発明の実施形態における放電エネルギー回収装置の構成について説明する回路図である。本発明の実施形態における放電エネルギー回収装置における電圧電流波形を示す図である。本発明の他の実施形態における放電エネルギー回収装置の構成について説明する回路図である。本発明の他の実施形態における放電エネルギー回収装置における電圧波形を示す図である。一般的な圧電素子駆動回路装置の構成について説明する回路図である。

次に、本発明を実施するための形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、各図中、同一又は相当する部分には同一の符号を付しており、その重複説明は適宜に簡略化乃至省略する。本発明は、アクチュエータ放電電流を回収する際に、その回収した放電電流を、定電圧回路を介して負荷の大きいコントローラの電源や負荷の小さい駆動系の電源として消費することが特徴になっている。

図１に本発明の実施形態における画像形成装置の基本構成を示す。図１において、キャリッジ１１はガイドロット１２で保持されて、主走査モータ１３との間に渡されたプーリー１４を介して主走査方向（図１における左右方向）に走査する。このキャリッジ１１には、例えば、イエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、ブラック（Ｋ）の各色のインク滴を吐出する記録ヘッド１９が搭載されていて、記録ヘッド１９に配列されたインク吐出ノズル１８からインクが吐出される。

キャリッジ１１を主走査方向に移動させながら必要な位置でインク滴を吐出することによって、記録媒体上に画像を形成する。キャリッジ１１の位置情報は筐体に固定されたエンコーダシート１５に等間隔で記録されたパターンを、キャリッジ１１に固定されたエンコーダセンサ１６で移動しながら読み取ってカウントを加算／減算することで得ることができる。

このような主走査方向のキャリッジ移動とインク吐出動作を１回行うことで、ノズル列の長さと同じ幅のバンドに対して画像を形成することができ、１バンド分の画像形成が終了したら副走査モータ１７を駆動して記録媒体を副走査方向（図１における上下方向）に移動させて、再度１バンド分の画像形成動作をさせるように繰り返せば、記録媒体の任意の場所に画像を形成することができる。

次に、図２を参照して本発明の実施形態における画像形成装置の機能ブロックを説明する。図２は、本発明の実施形態における画像形成装置の機能ブロックについて説明するブロック図である。画像形成装置のハードウェア制御を行うファームウェアや記録ヘッドの駆動波形データはＲＯＭ（Read Only Memory）２３に格納されており、ホストＰＣ（Personal Computer）２１から印刷ジョブ（画像データ）を受信すると、ＣＰＵ（Central Processing Unit）２２は画像データをＲＡＭ（Random Access Memory）２４に格納し、記録ヘッド１９が搭載されたキャリッジ１１を主走査制御部２５によって記録媒体上の任意の位置に移動する。

記録ヘッド制御部２７は、主走査エンコーダ２９から得られるキャリッジ１１の位置情報に連動し、ＲＡＭ２４に格納された画像データ、ＲＯＭ２３に格納された記録ヘッド駆動波形、及び制御信号を記録ヘッド駆動部２８に転送する。記録ヘッド駆動部２８は、記録ヘッド制御部２７より転送されたデータをもとに、記録ヘッド１９を駆動し、インク滴を吐出する。

次に、図３を参照して本発明の実施形態における画像形成装置の記録ヘッド制御部２７について説明する。図３は、本発明の実施形態における画像形成装置の記録ヘッド制御について説明するブロック図である。記録ヘッド１９に設置されたアクチュエータ３１を変位させることによりインク滴を吐出する。

アクチュエータ３１に対する充電電圧Vｃｏｍの印加を、アナログスイッチ３２をＯＮ／ＯＦＦすることによりアクチュエータ３１を変位させる。画像データ制御部３３からの情報に基づいてアナログスイッチ３２のＯＮ／ＯＦＦを制御する。アクチュエータ３１に対する充電電圧Vｃｏｍは、記録ヘッド制御部２７の駆動波形制御部３４からの情報に基づいて電流増幅を行うことにより生成する。

次に、図４及び図５を参照して、本発明の実施形態における放電エネルギー回収装置の構成、及び、本発明の実施形態における放電エネルギー回収装置における電圧電流波形について説明する。図４は、本発明の実施形態における放電エネルギー回収装置の構成について説明する回路図であり、図５は、本発明の実施形態における放電エネルギー回収装置における電圧電流波形を示す図である。

図４において、定電圧回路４５は、バイポーラトランジスタＱ４５、定電圧ダイオード（ツェナーダイオード）、及び抵抗器から構成される。そして、定電圧回路４５の出力電圧が、後段に接続される負荷回路４７の電源電圧（＋ＶＤＤ２）になるように定電圧回路４５を構成する。

定電圧回路４６も同様に、バイポーラトランジスタＱ４６、定電圧ダイオード（ツェナーダイオード）、及び抵抗器から構成される。そして、定電圧回路４６の出力電圧が、後段に接続される負荷回路４８の電源電圧（＋ＶＤＤ３）になるように定電圧回路４６を構成する。

そして、定電圧回路４５と負荷回路４７との間、及び定電圧回路４６と負荷回路４８との間には、定電圧回路４５のバイポーラトランジスタＱ４５及び定電圧回路４６のバイポーラトランジスタＱ４６が逆バイアスの印加により破損しないようにダイオードＤ１及びＤ２がそれぞれ設けられている。

なお、アクチュエータ放電電流Ｂを回収しない場合、すなわち、アクチュエータ放電電流の電圧値が、定電圧回路Ｑ４６の出力電圧（＋ＶＤＤ３）未満である場合には、アクチュエータ放電電流Ｂを、バイポーラトランジスタＱ５１を介してＧＮＤへ放電する。

次に、図５を用いて、本発明の実施形態における放電エネルギー回収装置における電圧電流波形について説明する。まず、アクチュエータ駆動電圧であるＶｃｏｍ＿ＤＡが減少を開始する、すなわち、アクチュエータ３１（図４）が放電を開始すると、アクチュエータ放電電流Ｂ（図４）が、定電圧回路４５及び定電圧回路４６を介して、負荷回路４７の電源（＋ＶＤＤ２）及び負荷回路４６の電源（＋ＶＤＤ３）にそれぞれ供給されことになる。

そうすると、負荷回路４７及び負荷回路４７の電源（＋ＶＤＤ２及び＋ＶＤＤ３）に対して、それぞれ負荷電流Ｉ＿ＶＤＤ２及びＩ＿ＶＤＤ３が供給される。なお、以後、バイポーラトランジスタＱ４４、Ｑ４５、及びＱ４６におけるベース（Ｂ）−エミッタ（Ｅ）間電圧をそれぞれ、ＶＢＥ＿Ｑ４４、ＶＢＥ＿Ｑ４５、及びＶＢＥ＿Ｑ４６等と表記することにする。

そして、アクチュエータ放電電流Ｂ（図４）の放電が開始されると、アクチュエータ駆動電圧Ｖｃｏｍ＿ＤＡがじわじわと減少し始める。そして、アクチュエータ駆動電圧Ｖｃｏｍ＿ＤＡが、ＶＤＤ２＋ＶＢＥ＿Ｑ４４＋ＶＢＥ＿Ｑ４５以上である場合には、負荷回路４７に対して負荷電流Ｉ＿ＶＤＤ２（電源＋ＶＤＤ２への電力の供給）が供給される。これにより、アクチュエータ駆動電圧Ｖｃｏｍ＿ＤＡが高い状態において、アクチュエータ放電電流Ｂ（図４）を効率よく回収することができる。

アクチュエータ駆動電圧Ｖｃｏｍ＿ＤＡがさらに減少していくと、負荷回路４７（図４）に対する負荷電流Ｉ＿ＶＤＤ２は、徐々に減少する一方、今度は、負荷回路４８（図４）に対する負荷電流Ｉ＿ＶＤＤ３（電源＋ＶＤＤ３への電力の供給）の供給が開始される。

アクチュエータ駆動電圧Ｖｃｏｍ＿ＤＡがさらに減少していき、アクチュエータ駆動電圧の最小値を、ＶＤＤ３＋ＶＢＥ＿Ｑ４４＋ＶＢＥ＿Ｑ４６以下になるように設定することにより、アクチュエータ放電電流Ｂ（図４）の放電が終了するまで、負荷回路４７（図４）に対する負荷電流Ｉ＿ＶＤＤ２の供給は停止するが、負荷回路４８（図４）に対する負荷電流Ｉ＿ＶＤＤ３の供給（電源＋ＶＤＤＤ３への電力の供給）が継続される。これにより、アクチュエータ駆動電圧Ｖｃｏｍ＿ＤＡが低い状態においても、アクチュエータ放電電流Ｂ（図４）を効率よく回収することができ、電力の無駄を省くことができる。

次に、本発明の他の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。なお、各図中、同一又は相当する部分には同一の符号を付しており、その重複説明は適宜に簡略化乃至省略する。図６は、本発明の他の実施形態における放電エネルギー回収装置の構成について説明する回路図であり、図７は、本発明の他の実施形態における放電エネルギー回収装置における電圧波形を示す図である。

この実施形態において、定電圧回路４５及び４６が、バイポーラトランジスタＱ４５、Ｑ４６、定電圧ダイオード（ツェナーダイオード）、抵抗器から構成される点、並びに定電圧回路４５及び４６の出力電圧が、後段に接続される負荷回路４７及び４８の電源電圧（＋ＶＤＤ２、＋ＶＤＤ３）になるように定電圧回路が構成される点は上述した実施の形態と同様である。

本実施形態では、アクチュエータ駆動電圧Ｖｃｏｍ＿ＤＡの電圧値を監視するＶｃｏｍ＿ＤＡ電位監視部（Ａ／Ｄコンバータ）４９を設ける。そして、定電圧回路４５と負荷回路４７との間、及び定電圧回路４６と負荷回路４８との間には、アクチュエータ駆動電圧Ｖｃｏｍ＿ＤＡの電圧値に応じて、負荷電流を負荷回路４７又は４８に供給するか、又はアクチュエータ放電電流Ｂを、バイポーラトランジスタＱ５１を介してＧＮＤへ放電するか否かを切り替えるスイッチ回路Ｑ５２、Ｑ５３、Ｑ５１（図６ではＦＥＴを用いている。）がそれぞれ設けられている。

すなわち、アクチュエータ駆動電圧Ｖｃｏｍ＿ＤＡの電圧値に応じて、スイッチＱ５２、Ｑ５３、Ｑ５１のＯＮ／ＯＦＦの切替制御を、記録ヘッド制御部２７から出力される制御信号により切り替え、アクチュエータ放電電流を負荷回路４７、４８へ供給するのか又はＧＮＤへ放電するのかを制御しているのである。

次に、図７を用いて、本発明の他の実施形態における放電エネルギー回収装置における電圧波形について説明する。まず、アクチュエータ駆動電圧Ｖｃｏｍ＿ＤＡの電圧値が、ＶＤＤ２＋ＶＢＥ＿Ｑ４４＋ＶＢＥ＿Ｑ４５以上の場合、記録ヘッド制御部２７（図６）からの制御信号により、スイッチＱ５２のみをＯＮに切り替え、スイッチＱ５３、Ｑ５１はＯＦＦに切り替えるよう制御されることにより、アクチュエータ駆動電圧Ｖｃｏｍ＿ＤＡが高い状態においてアクチュエータ放電電流Ｂ（図６）を回収できる割合が多くなるため、電力回収の効率が向上する。

そして、アクチュエータ駆動電圧Ｖｃｏｍ＿ＤＡの電圧値が、ＶＤＤ２＋ＶＢＥ＿Ｑ４４＋ＶＢＥ＿Ｑ４５以下になった時点で、記録ヘッド制御部２７（図６）からの制御信号により、スイッチＱ５２をＯＦＦに切り替え、スイッチＱ５３のみをＯＮに切り替えるよう制御される。これにより、アクチュエータ駆動電圧Ｖｃｏｍ＿ＤＡが低い状態においても、アクチュエータ放電電流Ｂ（図６）を効率よく回収することができ、電力の無駄を省くことができる。

さらに、アクチュエータ駆動電圧Ｖｃｏｍ＿ＤＡの電圧値が、ＶＤＤ２＋ＶＢＥ＿Ｑ４４＋ＶＢＥ＿Ｑ４６以下になった時点で、記録ヘッド制御部２７（図６）からの制御信号により、スイッチＱ５３をＯＦＦに切り替え、スイッチ５１のみをＯＮに切り替えるよう制御される。

スイッチＱ５１のみをＯＮに切り替えるよう制御することにより、アクチュエータ放電電流Ｂ（図６）を、バイポーラトランジスタＱ５１を介してＧＮＤへ放電することが可能なため、アクチュエータ駆動電圧Ｖｃｏｍ＿ＤＡの電圧値がＶＤＤ３＋ＶＢＥ＿Ｑ４４＋ＶＢＥ＿Ｑ４６未満であるような微少電圧についても、アクチュエータ駆動電圧Ｖｃｏｍ＿ＤＡをアクチュエータ３１（図６）に印加することができる。

以上説明したように、本発明は、アクチュエータ放電電流を、定電圧回路を介して負荷回路であるコントローラや駆動系の電源として消費するので、多くのアクチュエータ放電電流を回収して有効な電力として使用することができる。

また、出力電圧が異なる複数の定電圧回路を設けて、アクチュエータ放電電圧が高い場合には高い電圧で回収し、低い電圧の場合には低い電圧で回収するので電力の回収効率を上げることができる。

以上、本発明の好適な実施の形態により本発明を説明した。ここでは特定の具体例を示して本発明を説明したが、特許請求の範囲に定義された本発明の広範囲な趣旨及び範囲から逸脱することなく、これら具体例に様々な修正及び変更が可能である。

１１キャリッジ
１２ガイドロット
１３主走査モータ
１４プーリー
１５エンコーダシート
１６エンコーダセンサ
１７副走査モータ
１８インク吐出ノズル
１９記録ヘッド
２２ＣＰＵ
２３ＲＯＭ
２４ＲＡＭ
２５主走査制御部
２６副走査制御部
２７記録ヘッド制御部
２８記録ヘッド駆動部
２９主走査エンコーダ
３１アクチュエータ
３２アナログスイッチ
３３画像データ制御部
３４駆動波形制御部
４２電流増幅部
４５、４６定電圧回路
４７、４８負荷回路

特開２００２−２７３８７４号公報

Claims

圧電素子が駆動されたときに前記圧電素子から放電される放電エネルギーを回収する放電エネルギー回収装置であって、
前記圧電素子を駆動する電圧を生成する駆動電圧生成手段と、
前記駆動電圧生成手段により前記圧電素子が駆動されたとき、前記圧電素子から放電される電圧を監視する放電電圧監視手段と、
前記放電電圧監視手段により監視された電圧に対応する電流エネルギーをそれぞれ消費する第１及び第２の負荷回路と、
前記放電される電圧が、前記第１の負荷回路を駆動する第１の電圧値以上である場合には、前記第１の負荷回路で消費可能な電流エネルギーを供給する第１の電流供給手段と、
前記放電される電圧が、前記第１の負荷回路を駆動する前記第１の電圧値以下であって、前記第２の負荷回路を駆動する第２の電圧値以上である場合には、前記第２の負荷回路で消費可能な電流エネルギーを供給する第２の電流供給手段と、
を有することを特徴とする放電エネルギー回収装置。
前記第１の電流供給手段は、第１の定電圧回路と、前記第１の定電圧回路から前記第１の負荷回路に対する電流エネルギーの供給の有無を切り替える切替手段とを含み、前記切替手段は、制御部からの制御信号により制御されることを特徴とする請求項１に記載の放電エネルギー回収装置。
前記第２の電流供給手段は、第２の定電圧回路と、前記第２の定電圧回路から前記第２の負荷回路に対する電流エネルギーの供給の有無を切り替える切替手段とを含み、前記切替手段は、制御部からの制御信号により制御されることを特徴とする請求項１又は２に記載の放電エネルギー回収装置。
前記第１の電流供給手段は、前記第１の負荷回路から前記第１の定電圧回路へ向かう電流エネルギーの逆流を防止する第１の逆流防止手段をさらに含み、前記第２の電流供給手段は、前記第２の負荷回路から前記第２の定電圧回路へ向かう電流エネルギーの逆流を防止する第２の逆流防止手段をさらに含むことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の放電エネルギー回収装置。
請求項１から４の何れか１項に記載の放電エネルギー回収装置を備えたことを特徴とする画像形成装置。