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DE102004040700B4 - Method and control circuit for selectively driving selected piezoelectric actuators from a plurality of nozzles of a nozzle head in dot matrix printers - Google Patents

Method and control circuit for selectively driving selected piezoelectric actuators from a plurality of nozzles of a nozzle head in dot matrix printers Download PDF

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DE102004040700B4 DE102004040700A DE102004040700A DE102004040700B4 DE 102004040700 B4 DE102004040700 B4 DE 102004040700B4 DE 102004040700 A DE102004040700 A DE 102004040700A DE 102004040700 A DE102004040700 A DE 102004040700A DE 102004040700 B4 DE102004040700 B4 DE 102004040700B4
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Abstract

Verfahren zum selektiven Ansteuern ausgewählter piezoelektrischer Aktoren (5a...5z) aus einer Vielzahl von Düsen eines Düsenkopfes in Matrixdruckern, bei denen Piezoelemente für das Bilden und Abschießen von Tintenflüssigkeits-Mikrotropfen für Druckimpulse vorgesehen sind, wobei die Aktoren (5a...5z) elektrisch als Kondensatoren behandelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Maximalströme (10) pro Aktor (5a...5z) in einem unmittelbar den Aktoren (5a...5z) vorgeschalteten Treiberbaustein (3) jeweils durch Ansteuerung mit einem linearen Spannungsanstieg (9) oder Spannungsabfall einerseits nicht überschritten werden, andererseits während der Ladezeit ein Maximum (10) der Spannung im Endwert in einer vorgegebenen Zeit erreicht wird.method for selectively controlling selected ones piezoelectric actuators (5a ... 5z) from a plurality of nozzles of a nozzle head in dot matrix printers where piezo elements are used to form and shoot Ink liquid microdroplets for pressure pulses are provided, wherein the actuators (5a ... 5z) electrically as capacitors be treated, characterized in that the maximum currents (10) per actuator (5a ... 5z) in a directly to the actuators (5a ... 5z) upstream driver module (3) each by driving with a linear voltage increase (9) or voltage drop on the one hand are not exceeded, on the other hand while the charging time a maximum (10) of the voltage in the final value in a given Time is reached.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Regelschaltung zum selektiven Ansteuern ausgewählter piezoelektrischer Aktoren aus einer Vielzahl von Düsen eines Düsenkopfes in Matrixdruckern, bei denen Piezoelemente für das Bilden und Abschießen von Tintenflüssigkeits-Mikrotropfen für Druckimpulse vorgesehen sind, wobei die Aktoren elektrisch als Kondensatoren behandelt werden.The The invention relates to a method and a control circuit for selective Control selected piezoelectric actuators from a variety of nozzles one nozzle head in dot matrix printers where piezo elements are used to form and shoot Ink liquid microdroplets provided for pressure pulses are, wherein the actuators are electrically treated as capacitors.

In Matrixdruckern werden piezoelektrische Aktoren in Tintendruckköpfen eingesetzt ( EP 0 713 773 A1 ). Hierbei handelt es sich um eine Anordnung einer großen Anzahl von Aktoren, meist über 100, bspw. 128 Aktoren. Zur richtigen Funktion werden sorgfältig geformte Pulsformen der anzulegenden Spannung mit hoher Geschwindigkeit benötigt. Die geforderte hohe Druckgeschwindigkeit verlangt demzufolge eine schnelle Betätigung der Einzelaktoren, d.h. aber auch hohe elektrische Ströme für jeden einzelnen Aktor. Diese bekannte Bauweise bedient sich zur Begrenzung des Stroms für einen Impuls an jedem Aktor eines Vorwiderstandes geeigneter Größe. Der Vorwiderstand begrenzt im ersten Augenblick den auftretenden Maximalstrom auf das zulässige Maß. Ein solches Verfahren ist jedoch mit mehreren Nachteilen verbunden:
Es werden so viele Vorwiderstände wie Aktoren benötigt, also eine entsprechend der Düsenanzahl hohe Anzahl. Dadurch entsteht ein großer Platzbedarf, der die Gesamtanordnung spürbar vergrößert. Dies gilt um so mehr als es sich hierbei nicht um Kleinstwiderstände handeln darf, sondern um Widerstände, die für die in ihrem Inne ren verbrauchte Leistung zulässig sind.Matrix printers use piezoelectric actuators in inkjet print heads ( EP 0 713 773 A1 ). This is an arrangement of a large number of actuators, usually over 100, for example 128 actuators. For proper function, carefully shaped pulse shapes of the voltage to be applied are required at high speed. The required high printing speed consequently requires a fast actuation of the individual actuators, ie also high electrical currents for each individual actuator. This known construction uses to limit the current for a pulse at each actuator of a series resistor of suitable size. The series resistor limits the maximum current occurring at the first moment to the permissible level. However, such a method has several disadvantages:
There are as many series resistors as actuators needed, so according to the number of nozzles high number. This results in a large space requirement, which increases the overall arrangement noticeably. This is all the more so as these are not allowed to be very small resistances, but resistances which are permissible for the power consumed in their interior.

In den Widerständen wird insgesamt auf Grund ihrer großen Anzahl eine große Leistung verbraucht. Diese Leistung muss einerseits von der vorgeschalteten Elektronik zur Verfügung gestellt werden. Andererseits führt eine solch große Leistung im Lauf der Zeit zu einer beträchtlichen Erwärmung der Gesamtanordnung, was deshalb nachteilig ist, weil diese möglichst kompakt auf kleinem Raum unterzubringen ist. Weiterhin führen die Vorwiderstände zu einem erheblich verlangsamten System. Die Funktion der Vorwiderstände zur Strombegrenzung wird nur im ersten Augenblick benötigt, so lange bis die durch den Ansteuerbaustein gegebene Stromgrenze unterschritten ist. Nach der Frühphase des Impulses fließt nur noch ein geringer Ladestrom und es wird erst spät die Zielspannung erreicht. Diese Vorgänge führen insgesamt zu langsamen Ansteuerpulsen für die Aktoren und reduzieren deren ordnungsgemäße Funktion.In the resistors Overall, due to their large number is a big achievement consumed. This power must be on the one hand from the upstream Electronics available be put. On the other hand leads such a big one Performance over time to a considerable warming of the overall arrangement, which is disadvantageous because they are as compact as possible on a small Room is to accommodate. Furthermore, the series resistors lead to a significantly slowed system. The function of the series resistors to Current limitation is needed only at first, so long until the given by the Ansteuerbaustein current limit falls short is. After the early phase the pulse flows only a small charge current and it is only late the target voltage reached. These processes lead in total too slow drive pulses for the Actuators and reduce their proper functioning.

Eine andere Gestaltung, den durch den integrierten Baustein fließenden Impulsstrom zu begrenzen, ohne sich vorstehende Nachteile einzuhandeln, könnte in einer Stromregelung der einzelnen Aktorladeströme bestehen. Es ist aber sofort einzusehen, dass hierfür eine komplette Regelschaltung für jeden der einzelnen Aktoren notwendig wäre, was wegen deren großer Anzahl aus Platz- und Kostengründen für kleine Baueinheiten nicht in Betracht kommen kann.A different design, the pulse current flowing through the integrated component to limit without incurring the above disadvantages, could a current control of the individual Aktorladeströme exist. It is immediately to see that for that a complete control circuit for each of the individual actuators would be necessary, because of their large number for space and cost reasons for little ones Building units can not be considered.

In der DE 101 49 671 A1 ist ein Mikrodosiergerät und damit die Menge der zu dosierenden Flüssigkeit beschrieben. Dazu dient eine Verdrängerkammer, die eine Dosieröffnung aufweist, wie schon im vorstehend beschriebenen Stand der Technik enthalten ist. Es wird jedoch von einer Stromquelle mit unendlich großem inneren Widerstand ausgegangen. Durch Laden oder Entladen des Piezoaktors mit einem konstanten eingeprägten Strom wird ein linearer Anstieg bzw. Abfall der Spannung am Piezoaktor erreicht, wodurch die Steigung bzw. Dynamik dieses Anstiegs oder Abfalles abhängig von der treibenden Stromstärke ist. Der Vorschlag will durch diese Art der Ansteuerung eine Hysterese des Weges vermeiden oder minimieren.In the DE 101 49 671 A1 is a microdosing and thus the amount of liquid to be dosed described. The purpose of a displacement chamber, which has a metering opening, as already included in the prior art described above. However, it is assumed that a power source with infinite internal resistance. By charging or discharging the piezoelectric actuator with a constant impressed current, a linear increase or decrease in the voltage is achieved at the piezoelectric actuator, whereby the slope or dynamics of this increase or decrease is dependent on the driving current. The proposal wants to avoid or minimize by this type of control a hysteresis of the way.

Außerdem ist aus der DE 196 53 666 A1 ein Verfahren zum schnellen Ansteuern kapazitiver Lasten in Verbindung mit piezoelektrischen Aktoren bekannt. Der Vorschlag will beliebige Spannungsverläufe an der kapazitiven Last im Frequenzbereich von einigen Kilohertz erzeugen. Dadurch sollen zu langsame bekannte Ansteuerungen verbessert werden.Moreover, from the DE 196 53 666 A1 a method for rapidly driving capacitive loads in conjunction with piezoelectric actuators known. The proposal wants to generate any voltage waveforms on the capacitive load in the frequency range of a few kilohertz. This should be improved to slow known controls.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Impulsströme zu begrenzen und über die gesamte Ladezeit eine große Stromhöhe zu erreichen, wobei vom Gegenstand der EP 0 713 773 A1 ausgegangen wird.The invention has for its object to limit the pulse currents and to achieve a large current level over the entire charging time, the object of the EP 0 713 773 A1 is assumed.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Maximalströme pro Aktor in einem unmittelbar den Aktoren vorgeschalteten Treiberbaustein jeweils durch Ansteuerung mit einem linearen Spannungsanstieg oder Spannungsabfall einerseits nicht überschritten werden, andererseits während der Ladezeit ein Maximum der Spannung im Endwert in einer vorgegebenen Zeit erreicht wird. Das elektrische Ersatzschaltbild eines Piezoaktors besteht gemäß der Erfindung also in der einfachsten Form aus einem Kondensator. Dabei sind ein typischer Einsatzfall piezoelektrischer Aktoren Tintendruckköpfe, die in unterschiedlichen Formen eingesetzt werden. Zur richtigen Funktion werden sorgfältig geformte Pulsformen der anzulegenden Spannung mit hoher Geschwindigkeit erreicht. Die gewünscht hohe Druckgeschwindigkeit erfordert dementsprechend eine schnelle Betätigung der Einzelaktoren, d.h. auch ein schnelles Laden und Entladen der Aktor-Kondensatoren.The stated object is achieved in that the maximum currents per actuator in a directly upstream of the actuators driver module each by driving with a linear voltage increase or voltage drop are not exceeded, on the other hand during the charging time, a maximum of the voltage in the final value is reached in a given time , The electrical equivalent circuit diagram of a piezoelectric actuator according to the invention thus in the simplest form of a capacitor. In this case, a typical application of piezoelectric actuators inkjet print heads, which are used in different forms. For proper function, carefully shaped pulse shapes of the voltage to be applied are achieved at high speed. The desired high printing speed accordingly requires a fast actuation of the Einzelak Doors, ie also a fast charging and discharging of the actuator capacitors.

Aufgrund der geringen Größe des Treiberbausteins und der großen Anzahl anzusteuernder Aktoren sind die Ströme, die für jeden Aktor zu Verfügung stehen, eng begrenzt. Die Gesamtleistung dieser Treiberbausteine besitzt einerseits enge Grenzen. Anderseits ist davon auszugehen, dass der Ladestrom eines Aktors im ersten Augenblick extrem groß ist und nur durch den Innenwiderstand der Spannungsquelle und den Leitungswiderstand begrenzt ist, wenn keine weiteren Begrenzungsmaß nahmen getroffen werden. Der Ladestrom fällt nach einem Exponentialgesetz ab, bis – theoretisch nach unendlich langer Zeit – der Aktor (-Kondensator) auf die angelegte Spannung aufgeladen ist. Die hierbei auftretenden Ströme sind weit jenseits der für die Treiberbausteine zulässigen Grenzen. Es sind demzufolge sorgfältigere Begrenzungsmaßnahmen erforderlich. Eine gezielte Formung des Spannungsverlaufs bewirkt die Begrenzung des Ladestroms/Entladestroms. Des weiteren kann es für die gute Funktion der Aktoren wichtig sein, Pulsformen einer ganz bestimmten Form an die Aktoren anzulegen, die ganz anders gestaltet sein können als es sich durch eine einfache Widerstands-Kondensatorkombination ergäbe.by virtue of the small size of the driver chip and the big one Number of actuators to control are the currents available to each actuator, narrowly limited. The overall performance of these driver blocks has one hand, narrow limits. On the other hand, it can be assumed that the Charging current of an actuator is extremely large at the first moment and only by the internal resistance of the voltage source and the line resistance is limited if no further limiting measures are taken. The charging current drops from an exponential law, up to - theoretically infinite long time - the Actuator (capacitor) is charged to the applied voltage. The currents occurring here are far beyond the for the driver blocks allowed Limits. They are therefore more careful measures required. A targeted shaping of the voltage curve causes the limitation of the charging current / discharge current. Furthermore, it can for the good function of the actuators to be important, pulse shapes of a very specific Form to create the actuators, which can be designed very different than it would result from a simple resistor-capacitor combination.

Eine Weiterbildung zum Erreichen des linearen Spannungsverlaufs besteht darin, dass die erzeugte und dem Treiberbaustein zuzuführende Regelspannung auch unmittelbar oder über einen Spannungsteiler in die Regelschaltung zurückgeführt wird, dass durch eine Differenzierungsschaltung des gemessenen Sollspannungsverlaufs ein Maß für den augenblicklichen Spannungsanstieg bzw. Spannungsabfall erhalten wird, der analog oder digital mit der vorgegebenen Regel-Sollspannung verglichen und dass je nach dem Ergebnis ein schnellerer Spannungsanstieg frei gegeben oder gebremst wird.A Continuing to achieve the linear voltage curve exists in that the generated and supplied to the driver block control voltage also directly or via a voltage divider is fed back into the control circuit that by a differentiation circuit the measured nominal voltage curve is a measure of the instantaneous increase in voltage or voltage drop is obtained, the analog or digital with the predetermined control target voltage compared and that depending on the Result a faster voltage increase released or slowed down becomes.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass beim Herunterfahren der Spannung (negative Steigung des Spannungsverlaufs) die differenzierte Messspannung invertiert oder der konstante Sollwert beim Vergleich entsprechend verändert wird.A Embodiment of the invention provides that when shutting down the voltage (negative slope of the voltage curve) the differentiated measuring voltage inverted or the constant setpoint corresponding to the comparison changed becomes.

Die Regelschaltung zum selektiven Ansteuern ausgewählter piezoelektrischer Aktoren aus einer Vielzahl von Düsen eines Düsenkopfes in Matrixdruckern, bei denen Piezoelemente für das Bilden und Abschießen von Tintenflüssigkeits-Mikrotropfen für Druckimpulse vorgesehen sind, wobei die Aktoren elektrisch als Kondensatoren behandelt werden, löst die gestellte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch, dass einem integrierten Treiberbaustein eine Ansteuerschaltung vorgeschaltet ist, dass in der Ansteuerschaltung mittels eines Spannungsteilers einer folgenden Differenzierungsschaltung eine differenzierte Messspannung und eine Regel-Sollspannung an einem Spannungskomparator anliegen und die Spannung über weitere Schaltungselemente der Treiberschaltung regelt und an eine Leitung für geregelte Spannung an den integrierten Treiberbaustein zur Ansteuerung der Aktoren weiterleitet. Es ist nicht auf einfache Weise möglich, unmittelbar den Gesamtstrom für die Gesamtheit aller Piezo-Aktoren zu regeln, da ständig eine unterschiedlich große Anzahl von Aktoren betätigt werden müssen. Die Regelschaltung nimmt darauf dadurch Rücksicht, dass der zeitliche Verlauf des Spannungsanstiegs geregelt wird. Entsprechend dem für eine Kapazität geltenden Gesetz J = C·dU/dt ergibt sich bei einem linearen Verlauf der Spannung U = a·t für den Ladestrom jeder einzelnen Aktoren-Kapazität ein konstanter Strom J = C·a, der nur durch den Wert der einzelnen Kapazität und die Steigung des Spannungsanstiegs gegeben ist. Insbesondere ist der einzelne Ladestrom eines Piezoaktors unabhängig von den Ladeströmen aller anderen Aktoren. Es ist also gleichgültig, ob die anderen Aktoren momentan betätigt werden oder nicht. Die Funktion der Regelung besteht nun darin, einen im wesentlichen linearen Spannungsanstieg zu erreichen. Dann ergibt sich automatisch ein konstanter Ladestrom jedes einzelnen Aktors. Der wesentliche Gesichtspunkt ist dabei, dass über diese Regelung einer Größe die vielen Ströme der vielen Aktoren geregelt werden können. Diese Art der Regelung führt auch zu einer definierten Ladezeit. Die Ladezeit kommt auch dem theoretisch kürzesten Wert sehr nahe: Die gesamte Ansteuerung der Piezoaktoren enthält zwei wesentliche Baugruppen:

  • – den hochintegrierten Treiberbaustein und die damit verbundene Logik, die die einzelnen Aktoren zur Betätigung freischalten,
  • – eine Regelschaltung, die einen linearen Anstieg oder Abfall der hohen zur Betätigung der Piezoaktoren notwendigen Spannung erzeugt und allen Aktoren zur Verfügung stellt.
The control circuit for selectively driving selected piezoelectric actuators from a plurality of nozzles of a nozzle head in matrix printers, in which piezo elements are provided for the formation and firing of ink liquid microdroplets for pressure pulses, wherein the actuators are electrically treated as capacitors, solves the stated object according to the invention thereby in that a drive circuit is connected upstream of an integrated driver module in that a differentiated measurement voltage and a setpoint control voltage are applied to a voltage comparator in the drive circuit by means of a voltage divider of a following differentiation circuit and regulate the voltage via further circuit elements of the driver circuit and to a line for regulated voltage at the Integrated driver block for controlling the actuators forwards. It is not easily possible to directly control the total current for the totality of all piezo actuators, since constantly a different number of actuators must be actuated. The control circuit thereby takes account of the fact that the time course of the voltage rise is regulated. According to the law applicable to a capacitance J = C · dU / dt, a linear current of the voltage U = a · t for the charging current of each individual actuator capacitance results in a constant current J = C · a, which is limited only by the value of single capacitance and the slope of the voltage rise is given. In particular, the individual charging current of a piezoelectric actuator is independent of the charging currents of all other actuators. So it does not matter if the other actuators are currently being operated or not. The function of the control is now to achieve a substantially linear voltage increase. This automatically results in a constant charging current of each individual actuator. The essential aspect here is that the many currents of the many actuators can be regulated by means of this control of one variable. This type of regulation also leads to a defined charging time. The charging time is also very close to the theoretically shortest value: The entire control of the piezo actuators contains two main components:
  • The highly integrated driver module and the associated logic which enable the individual actuators for actuation,
  • - A control circuit that generates a linear increase or decrease of the high voltage necessary for the actuation of the piezoelectric actuator voltage and all actuators available.

Als alternative Regelschaltung ist vorgesehen, dass an einen Spannungsteiler über einen Analog-Digital-Wandler eine digitale Schaltung und über das austretende Regelsignal die Treiberschaltung an die Leitung für die geregelte Spannung angeschlossen ist.When alternative control circuit is provided that to a voltage divider via a Analog-to-digital converter a digital circuit and over the exiting control signal the driver circuit to the line for the regulated Voltage is connected.

Eine weitere alternative Gestaltung ergibt sich für eine Regelschaltung dadurch, dass ein Sollspannungsverlauf mit linearen Rampen mittels einer digitalen Schaltung, einem folgenden Digital-Analog-Wandler an den ersten Eingang einer analogen Vergleichsschaltung und an eine Treiberschaltung gelegt ist und dass ein an die Leitung für geregelte Spannung angeschlossener Spannungsteiler für die Messspannung an den zweiten Eingang der analogen Vergleichsschaltung angeschlossen ist.A further alternative design results for a control circuit in that that a target voltage curve with linear ramps by means of a digital Circuit, a subsequent digital-to-analog converter to the first Input of an analog comparison circuit and placed on a driver circuit is and that one connected to the line for regulated voltage Voltage divider for the measuring voltage to the second input of the analog comparison circuit connected.

Die digitale Schaltung kann bspw. aus einem Mikrocontroller bestehen.The digital circuit can, for example, from a Microcontroller exist.

Eine weitere alternative Gestaltung der Regelschaltung entsteht dadurch, dass der Spannungsverlauf mit einem linearen Anstieg und einem linearen Abfall über einen Digital-Analog-Wandler an eine Verstärkerschaltung geführt ist, wodurch näherungsweise ein auf hohe Betätigungsspannungen der Spannungsquelle der Aktoren transformiertes Abbild des Sollspannungsverlaufs mit den geforderten linearen Rampen nachgebildet ist.A further alternative design of the control circuit is created by that the voltage curve with a linear rise and a linear Waste over a digital-to-analog converter is led to an amplifier circuit, which approximates on to high operating voltages the voltage source of the actuators transformed image of the desired voltage waveform is simulated with the required linear ramps.

Es ist auch vorteilhaft, wenn nicht nur der Treiberbaustein, sondern auch die Ansteuerschaltung dicht bei den Aktoren angeordnet werden kann. Hierzu ist es wegen des bei den Aktoren normalerweise beengten Raumes oder Platzes günstig, wenn die Ansteuerschaltung bzw. die wesentlichen Teile davon in Form eines hochintegrierten Bausteins umgesetzt werden.It is also advantageous if not only the driver block, but Also, the drive circuit can be arranged close to the actuators can. This is because of the normally crowded in the actuators Space or space favorable, when the drive circuit or the essential parts thereof in Implemented form of a highly integrated device.

In Fortführung einer solchen Miniaturisierung ist es bei beengten Platzverhältnissen außerdem vorteilhaft, als weiteren Schritt die Ansteuerschaltung und den Treiberbaustein in einem hochintegrierten Baustein zusammenzufassen.In continuation such miniaturization is in confined spaces Furthermore advantageous, as a further step, the drive circuit and the Driver module in a highly integrated module summarize.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt und werden nachstehend näher erläutert.In the drawing are embodiments of Invention and are explained in more detail below.

Es zeigen:It demonstrate:

1 ein Gesamt-Blockschaltbild mit den Aktoren, 1 an overall block diagram with the actuators,

2A, 2B eine Gegenüberstellung von bekannten Strom- und Spannungsverläufen (2A) zu dem erfindungsgemäßen Verlauf (2B), 2A . 2 B a comparison of known current and voltage curves ( 2A ) to the course according to the invention ( 2 B )

3 ein Blockschaltbild der Regelung mit Differenzierung der erzeugten Spannung, 3 a block diagram of the control with differentiation of the generated voltage,

4 ein Blockschaltbild der Regelung mit digitaler Verarbeitung der Spannungsänderungen, 4 a block diagram of the control with digital processing of voltage changes,

5 ein Diagramm zum Sollspannungsverlauf ein Diagramm zum Sollspannungsverlauf, 5 a diagram for the target voltage curve a diagram for the target voltage curve,

6 ein Blockschaltbild der Regelung mit analogem Vergleich zum Sollspannungsverlauf und 6 a block diagram of the control with analog comparison to the target voltage curve and

7 ein Blockschaltbild für eine analoge Steuerung der Aktorspannung entsprechend dem Sollspannungsverlauf. 7 a block diagram for an analog control of the actuator voltage according to the desired voltage waveform.

Gemäß 1 weist eine Regelschaltung in Folge eine Spannungsquelle 1, eine Ansteuerschaltung 2, einen Treiberbaustein 3 und an diesen angeschlossen, eine digitale Steuerung 4 zur Bereitstellung der Signaldaten auf. Die Druckimpulse gelangen unmittelbar von dem integrierten Treiberbaustein 3 an die piezoelektrischen Aktoren 5a...5i...5z. Es ist wegen der großen Anzahl von Aktoren 5a...5z und damit den entsprechenden Verbindungsleitungen vorteilhaft, wenn die wesentlichen Bauelemente des Treiberbausteins 3 unmittelbar vor den Aktoren 5a...5z untergebracht sind, ohne dass diese Teile der Elektronik übermäßig groß bauen und die Aktoren 5a...5z störend erwärmt werden. Es ist deshalb vorteilhaft, die Treiberschaltung der piezoelektrischen Aktoren 5a...5z durch den integrierten Treiberbaustein 3 zu gestalten.According to 1 a control circuit in sequence has a voltage source 1 , a drive circuit 2 , a driver block 3 and connected to it, a digital controller 4 for providing the signal data. The pressure pulses arrive directly from the integrated driver module 3 to the piezoelectric actuators 5a ... 5i ... 5z , It is because of the large number of actuators 5a ... 5z and thus the corresponding connecting lines advantageous if the essential components of the driver module 3 right in front of the actors 5a ... 5z are housed without these parts of the electronics build excessively large and the actuators 5a ... 5z be heated disturbingly. It is therefore advantageous, the driver circuit of the piezoelectric actuators 5a ... 5z through the integrated driver chip 3 to design.

Der Aspekt einer sehr großen Anzahl anzusteuernden Aktoren 5a...5i...5z verdeutlicht das Problem, einzelne Aktoren 5a...5z ständig unabhängig voneinander zu be tätigen. Der Treiberbaustein 3 kann die von der digitalen Steuerung 4 kommenden Signaldaten (im Fall eines Tintendruckkopfes also die Daten für die einzelnen Düsen aufgrund des zu druckenden Druckmusters) mit der hohen für die Aktoren 5a...5z benötigten Spannungsquelle 1 verknüpfen. Ähnliche Bausteine werden bereits zur Ansteuerung von Düsenköpfen mit 128 Aktoren 5a...5z eingesetzt.The aspect of a very large number of actuators to be controlled 5a ... 5i ... 5z clarifies the problem, individual actuators 5a ... 5z constantly be independent of each other. The driver block 3 can be that of the digital controller 4 coming signal data (in the case of an ink jet print head so the data for the individual nozzles due to the printing pattern to be printed) with the high for the actuators 5a ... 5z required voltage source 1 link. Similar components are already being used to control nozzle heads with 128 actuators 5a ... 5z used.

In 2A ist der herkömmliche Stromverlauf 6 und in 2B der erfindungsgemäße Sollstromverlauf 7 sichtbar. Dem bekannten Spannungsverlauf 8 in 2A steht der erfindungsgemäße Sollspannungsverlauf 9 gegenüber. Der maximale Strom 10 erreicht die Aktoren 5a...5z durch den integrierten Treiberbaustein 3.In 2A is the conventional current flow 6 and in 2 B the desired current profile according to the invention 7 visible, noticeable. The known voltage curve 8th in 2A is the nominal voltage profile according to the invention 9 across from. The maximum current 10 reaches the actuators 5a ... 5z through the integrated driver chip 3 ,

Gemäß 3 wird die erzeugte und dem integrierten Treiberbaustein 3 zugeführte Spannung unmittelbar über eine Leitung 11 für die geregelte Spannung oder bspw. über einen Spannungsteiler 12 der Regelschaltung zugeführt. In einer Differenzierschaltung 13 des gemessenen Spannungsverlaufs erhält die Regelschaltung ein Maß für den momentanen Spannungsanstieg oder Spannungsabfall. Das Ziel ist ein linearer Verlauf. Die Differenzierung müsste demzufolge einen konstanten Wert ergeben. Der Wert aus dem differenzierten Verlauf der Messspannung 15 wird -analog oder digital- mit einer vorgegebenen Regel-Sollspannung 14 verglichen.According to 3 becomes the generated and the integrated driver chip 3 supplied voltage directly via a line 11 for the regulated voltage or, for example, via a voltage divider 12 supplied to the control circuit. In a differentiation circuit 13 the measured voltage curve, the control circuit receives a measure of the instantaneous voltage increase or voltage drop. The goal is a linear course. The differentiation would therefore have to give a constant value. The value from the differentiated course of the measuring voltage 15 becomes -analog or digital- with a given control setpoint voltage 14 compared.

Eine analoge Vergleichsschaltung 24 gibt dann entsprechend dem Ergebnis dieses Vergleichs einen schnelleren Spannungsanstieg frei oder bremst diesen.An analog comparison circuit 24 then releases or slows down a faster voltage increase according to the result of this comparison.

Entsprechendes erfolgt wieder beim Herunterfahren der Spannung. Bei diesem Vorgang muss wegen der negativen Steigung des Spannungsverlaufs entweder die differenzierte Messspannung 15 invertiert oder der konstante Sollwert beim Vergleich entsprechend verändert werden.The same happens again when the voltage is shut down. In this process, due to the negative slope of the voltage curve either the differentiated measurement voltage 15 inverted or the constant setpoint can be changed accordingly during the comparison.

Dieses Verfahren eignet sich besonders gut für eine sehr einfache analoge Regel schaltung, wie in 3 gezeigt ist. Auf der Grundlage eines einfachen RC-Glieds kann die Differenzierung erfolgen. Die differenzierte Messspannung 15 und eine feste Regel-Sollspannung 14 werden dem Minus- und dem Plus-Eingang einer Vergleichsschaltung 24 (Spannungskomparator oder Operationsverstärker genannt) zugeführt, der die Spannung über Bauelemente der Treiberschaltung 16 regelt.This method is particularly well suited for a very simple analog control circuit, as in 3 is shown. On the basis of a simple RC element, the differentiation can take place. The differentiated measuring voltage 15 and a fixed control target voltage 14 are the minus and the plus input of a comparison circuit 24 (Voltage comparator or operational amplifier called) supplied to the voltage across components of the driver circuit 16 regulates.

Eine weitere Alternative zeigt 4. Die Messspannung 20 wird über einen Analog-Digital-Wandler 17 einer digitalen Schaltung 18 (bspw. einem Mikrocontroller) zugeführt. Die digitale Schaltung 18 vergleicht in kurzen Zeitabständen die Spannungsänderung mit einem fest vorgegebenen Wert. Entsprechend wie der Spannungskomparator oder der Operationsverstärker messen, gibt die digitale Vergleicherschaltung 18 ein Regelsignal 19 an die weitere Treiberschaltung 16 aus.Another alternative shows 4 , The measuring voltage 20 is via an analog-to-digital converter 17 a digital circuit 18 (For example, a microcontroller) supplied. The digital circuit 18 compares the voltage change with a fixed value at short intervals. According to how the voltage comparator or the operational amplifier measures, the digital comparator circuit outputs 18 a control signal 19 to the further driver circuit 16 out.

Gemäß einem anderen Verfahren – vgl. die 4 und 6 – wird der lineare Sollspannungsanstieg bzw. -abfall 21, in 5 gezeigt, durch eine digitale Schaltung 18 (Mikrocontroller) vorgegeben. Der Sollspannungsverlauf 21 wird mit der über den Spannungsteiler 12 heruntergeteilten gemessenen tatsächlichen Regelspannung 20 verglichen. Die Vergleichsschaltung gibt dann wieder entsprechend dem Ergebnis des Vergleichs einen schnelleren Spannungsanstieg frei oder bremst diesen durch entsprechende Regelsignale 19 an die weiteren Bauelemente der Treiberschaltung 16.According to another method - cf. the 4 and 6 - is the linear nominal voltage increase or decrease 21 , in 5 shown by a digital circuit 18 (Microcontroller) specified. The nominal voltage curve 21 is with the over the voltage divider 12 divided measured actual control voltage 20 compared. The comparison circuit then releases again according to the result of the comparison a faster voltage increase or brakes it by appropriate control signals 19 to the other components of the driver circuit 16 ,

Die praktische Umsetzung kann wieder auch mit einer analogen Elektronik oder nur mit digitaler Elektronik erfolgen.The Practical implementation can again with analog electronics or only with digital electronics.

In 4 ist eine digitale Schaltung gezeigt. Die Messspannung 20 wird über einen Analog-Digital-Wandler 17 der digitalen Schaltung 18 zugeführt. Dort wird sie digital mit dem digital erzeugten Sollspannungsverlauf 21 verglichen und auch wieder ein Regelsignal 19 für die beschriebene Treiberschaltung 16 ausgegeben.In 4 a digital circuit is shown. The measuring voltage 20 is via an analog-to-digital converter 17 the digital circuit 18 fed. There it becomes digital with the digitally generated nominal voltage curve 21 compared and again a control signal 19 for the described driver circuit 16 output.

In 6 ist eine Schaltung auf analoger Basis wiedergegeben. Eine digitale Schaltung 22 gibt den Sollspannungsverlauf 21 an einen Analog-Digital-Wandler 23 aus. Der analoge Spannungsverlauf 21 wird in einer analogen Vergleicherschaltung 24 (bspw. einem Operationsverstärker oder Spannungskomparator) mit der Messspannung 20 verglichen und so weitere Bauelemente der Treiberschaltung 16 zur Spannungsregelung damit beeinflusst.In 6 is a circuit reproduced on an analog basis. A digital circuit 22 gives the nominal voltage curve 21 to an analog-to-digital converter 23 out. The analog voltage curve 21 is in an analog comparator circuit 24 (eg, an operational amplifier or voltage comparator) with the measurement voltage 20 compared and so more components of the driver circuit 16 influenced by the voltage regulation.

In 7 ist ein alternatives Verfahren als Steuerung dargestellt. Wie auch in dem Verfahren der Regelschaltung mit den 4 und 6 erzeugt eine digitale Schaltung 22 den Sollspannungsverlauf 21 mit linearem Anstieg und linearem Abfall. Über einen Digital-Analog-Wandler 23 wird dieser Spannungsverlauf einer geeigneten Verstärkerschaltung 25 zugeführt, die die für die Aktoren 5a...5z notwendigen hohen Spannungen der Spannungsquelle 1 verarbeiten kann. Auf diese Weise entsteht näherungsweise ein auf die hohen Betätigungsspannungen der Aktoren 5a...5z transformiertes Abbild des Sollspannungsverlaufs 21 mit den geforderten linearen Rampen 21a gemäß 5.In 7 an alternative method is shown as a controller. As well as in the method of the control circuit with the 4 and 6 creates a digital circuit 22 the nominal voltage curve 21 with linear increase and linear waste. About a digital-to-analog converter 23 This voltage characteristic of a suitable amplifier circuit 25 supplied to the actors 5a ... 5z necessary high voltages of the voltage source 1 can handle. In this way, approximately one arises on the high operating voltages of the actuators 5a ... 5z transformed image of the nominal voltage curve 21 with the required linear ramps 21a according to 5 ,

11
Spannungsquellevoltage source
22
Ansteuerschaltungdrive circuit
33
integrierter Treiberbausteinintegrated driver module
44
digitale Steuerung zur Bereitstellung der Signaldatendigital Control for providing the signal data
5a...5z5a ... 5z
piezoelektrische Aktorenpiezoelectric actuators
66
herkömmlicher Stromverlaufconventional current profile
77
SollstromverlaufTarget current course
88th
herkömmlicher Spannungsverlaufconventional voltage curve
99
SollspannungsverlaufTarget voltage curve
1010
maximaler Strommaximum electricity
1111
Leitung für geregelte Spannungmanagement for regulated tension
1212
Spannungsteilervoltage divider
1313
Differenzierungsschaltungdifferentiating circuit
1414
Regel-SollspannungUsually target voltage
1515
differenzierte Messspannungdifferentiated measuring voltage
1616
Treiberschaltungdriver circuit
1717
Analog-Digital-WandlerAnalog to digital converter
1818
digitale Schaltungdigital circuit
1919
Regelsignalcontrol signal
2020
Messspannungmeasuring voltage
2121
SollspannungsverlaufTarget voltage curve
21a21a
lineare Rampelinear ramp
2222
digitale Schaltungdigital circuit
2323
Digital-Analog-WandlerDigital to analog converter
2424
analoge Vergleicherschaltunganalog comparator
2525
Verstärkerschaltungamplifier circuit

Claims (8)

Verfahren zum selektiven Ansteuern ausgewählter piezoelektrischer Aktoren (5a...5z) aus einer Vielzahl von Düsen eines Düsenkopfes in Matrixdruckern, bei denen Piezoelemente für das Bilden und Abschießen von Tintenflüssigkeits-Mikrotropfen für Druckimpulse vorgesehen sind, wobei die Aktoren (5a...5z) elektrisch als Kondensatoren behandelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Maximalströme (10) pro Aktor (5a...5z) in einem unmittelbar den Aktoren (5a...5z) vorgeschalteten Treiberbaustein (3) jeweils durch Ansteuerung mit einem linearen Spannungsanstieg (9) oder Spannungsabfall einerseits nicht überschritten werden, andererseits während der Ladezeit ein Maximum (10) der Spannung im Endwert in einer vorgegebenen Zeit erreicht wird.Method for selective activation of selected piezoelectric actuators ( 5a ... 5z ) of a plurality of nozzles of a nozzle head in matrix printers, in which piezo elements are provided for the formation and firing of ink liquid microdroplets for pressure pulses, wherein the actuators ( 5a ... 5z ) are electrically treated as capacitors, characterized in that the maximum currents ( 10 ) per actuator ( 5a ... 5z ) in a directly to the actuators ( 5a ... 5z ) upstream driver module ( 3 ) each by driving with a linear voltage increase ( 9 ) or voltage drop on the one hand are not exceeded, on the other hand during the loading time a maximum ( 10 ) of the voltage in the final value is reached in a given time. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erzeugte und dem Treiberbaustein (3) zuzuführende Regelspannung (11) auch unmittelbar oder über einen Spannungsteiler (12) in die Regelschaltung zurückgeführt wird, dass durch eine Differenzierungsschaltung (13) des gemessenen Sollspannungsverlaufs (9) ein Maß für den augenblicklichen Spannungsanstieg bzw. Spannungsabfall erhalten wird, der analog oder digital mit der vorgegebenen Regel-Sollspannung (14) verglichen und dass je nach dem Ergebnis ein schnellerer Spannungsanstieg frei gegeben oder gebremst wird.Method according to Claim 1, characterized in that the generated and the driver module ( 3 ) supplied control voltage ( 11 ) also directly or via a voltage divider ( 12 ) is fed back into the control circuit that by a differentiation circuit ( 13 ) of the measured nominal voltage profile ( 9 ) is a measure of the instantaneous voltage increase or voltage drop is obtained, the analog or digital with the predetermined control target voltage ( 14 ) and that, depending on the result, a faster increase in voltage is released or slowed down. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass beim Herunterfahren der Spannung (negative Steigung des Spannungsverlaufs) die differenzierte Messspannung (15) invertiert oder der konstante Sollwert beim Vergleich entsprechend verändert wird.A method according to claim 2, characterized in that when shutting down the voltage (negative slope of the voltage curve), the differentiated measuring voltage ( 15 ) or the constant setpoint value is changed accordingly during the comparison. Regelschaltung zum selektiven Ansteuern ausgewählter piezoelektrischer Aktoren (5a...5z) aus einer Vielzahl von Düsen eines Düsenkopfes in Matrixdruckern, bei denen Piezoelemente für das Bilden und Abschießen von Tintenflüssigkeits-Mikrotropfen für Druckimpulse vorgesehen sind, wobei die Aktoren (5a...5z) elektrisch als Kondensatoren behandelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass einem integrierten Treiberbaustein (3) eine Ansteuerschaltung (2) vorgeschaltet ist, dass in der Ansteuerschaltung (2) mittels eines Spannungsteilers (12), einer folgenden Differenzierungsschaltung (13) eine differenzierte Messspannung (15) und eine Regel-Sollspannung (14) an einem Spannungskomparator (24) anliegen und die Spannung über weitere Schaltungselemente der Treiberschaltung regelt und an eine Leitung (11) für geregelte Spannung an den integrierten Treiberbaustein (3) zur Ansteuerung der Aktoren (5a...5z) weiterleitet.Control circuit for the selective activation of selected piezoelectric actuators ( 5a ... 5z ) of a plurality of nozzles of a nozzle head in matrix printers, in which piezo elements are provided for the formation and firing of ink liquid microdroplets for pressure pulses, wherein the actuators ( 5a ... 5z ) are electrically treated as capacitors, characterized in that an integrated driver module ( 3 ) a drive circuit ( 2 ) is connected upstream, that in the drive circuit ( 2 ) by means of a voltage divider ( 12 ), a following differentiation circuit ( 13 ) a differentiated measuring voltage ( 15 ) and a control setpoint voltage ( 14 ) on a voltage comparator ( 24 ) and controls the voltage via further circuit elements of the driver circuit and to a line ( 11 ) for regulated voltage to the integrated driver module ( 3 ) for controlling the actuators ( 5a ... 5z ). Regelschaltung zum selektiven Ansteuern ausgewählter piezoelektrischer Aktoren (5a...5z) aus einer Vielzahl von Düsen eines Düsenkopfes in Matrixdruckern, bei denen Piezoelemente für das Bilden und Abschießen von Tintenflüssigkeits-Mikrotropfen für Druckimpulse vorgesehen sind, wobei die Aktoren (5a...5z) elektrisch als Kondensatoren behandelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass an einen Spannungsteiler (12) über einen Analog-Digital-Wandler (17) eine digitale Schaltung (18) und über das austretende Regelsignal (19) die Treiberschaltung (16) an die Leitung (11) für die geregelte Spannung angeschlossen ist.Control circuit for the selective activation of selected piezoelectric actuators ( 5a ... 5z ) of a plurality of nozzles of a nozzle head in matrix printers, in which piezo elements are provided for the formation and firing of ink liquid microdroplets for pressure pulses, wherein the actuators ( 5a ... 5z ) are electrically treated as capacitors, characterized in that to a voltage divider ( 12 ) via an analog-to-digital converter ( 17 ) a digital circuit ( 18 ) and the exiting control signal ( 19 ) the driver circuit ( 16 ) to the line ( 11 ) is connected for the regulated voltage. Regelschaltung zum selektiven Ansteuern ausgewählter piezoelektrischer Aktoren (5a...5z) aus einer Vielzahl von Düsen eines Düsenkopfes in Matrixdruckern, bei denen Piezoelemente für das Bilden und Abschießen von Tintenflüssigkeits-Mikrotropfen für Druckimpulse, vorgesehen sind, wobei die Aktoren (5a...5z) elektrisch als Kondensatoren behandelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass ein Sollspannungsverlauf (21) mit linearen Rampen (21a) mittels einer digitalen Schaltung (22), einem folgenden Digital-Analog-Wandler (23) an den ersten Eingang einer analogen Vergleichsschaltung (24) und an eine Treiberschaltung (16) gelegt ist und dass ein an die Leitung (11) für geregelte Spannung angeschlossener Spannungsteiler (12) für die Messspannung (20) an den zweiten Eingang der analogen Vergleicherschaltung (24) angeschlossen ist.Control circuit for the selective activation of selected piezoelectric actuators ( 5a ... 5z ) are provided from a plurality of nozzles of a nozzle head in matrix printers, in which piezo elements for the formation and firing of ink liquid microdroplets for pressure pulses, are provided, wherein the actuators ( 5a ... 5z ) are electrically treated as capacitors, characterized in that a nominal voltage curve ( 21 ) with linear ramps ( 21a ) by means of a digital circuit ( 22 ), a following digital-to-analog converter ( 23 ) to the first input of an analog comparison circuit ( 24 ) and to a driver circuit ( 16 ) and that one to the line ( 11 ) for regulated voltage connected voltage divider ( 12 ) for the measuring voltage ( 20 ) to the second input of the analog comparator circuit ( 24 ) connected. Regelschaltung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die digitale Schaltung (22) aus einem Microcontroller besteht.Control circuit according to claim 6, characterized in that the digital circuit ( 22 ) consists of a microcontroller. Regelschaltung zum selektiven Ansteuern ausgewählter piezoelektrischer Aktoren (5a...5z) aus einer Vielzahl von Düsen eines Düsenkopfes in Matrixdruckern, bei denen Piezoelemente für das Bilden und Abschießen von Tintenflüssigkeits-Mikrotropfen für Druckimpulse vorgesehen sind, wobei die Aktoren (5a...5z) elektrisch als Kondensatoren behandelt werden, dadurch gekennzeichnet, dass der Spannungsverlauf (21) mit einem linearen Anstieg und einem linearen Abfall über einen Digital-Analog-Wandler (23) an eine Verstärkerschaltung (25) geführt ist, wodurch näherungsweise ein auf hohe Betätigungsspannungen der Spannungsquelle (1) der Aktoren (5a...5z) transformiertes Abbild des Sollspannungsverlaufs (21) mit den geforderten linearen Rampen (21a) nachgebildet ist.Control circuit for the selective activation of selected piezoelectric actuators ( 5a ... 5z ) of a plurality of nozzles of a nozzle head in matrix printers, in which piezo elements are provided for the formation and firing of ink liquid microdroplets for pressure pulses, wherein the actuators ( 5a ... 5z ) are electrically treated as capacitors, characterized in that the voltage curve ( 21 ) with a linear rise and a linear drop across a digital-to-analog converter ( 23 ) to an amplifier circuit ( 25 ), whereby approximately one to high operating voltages of the voltage source ( 1 ) of the actuators ( 5a ... 5z ) transformed image of the desired voltage profile ( 21 ) with the required linear ramps ( 21a ) is modeled.
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