(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波発生器の超音波振幅を監視する方法であって、
前記超音波発生器を駆動するために、関連する発振器を有する圧電駆動結晶を使うステップと、
前記駆動結晶への電流と整合された基準回路への電流とを比較するために、少なくとも１つの変圧器回路を使用するステップと、
前記比較を使用して前記圧電駆動結晶からの容量成分に基づく電流をキャンセルするステップであって、これにより得られる出力信号が前記超音波発生器の超音波振幅に直接的に比例する計測を行うステップと、
から成る超音波発生器の超音波振幅を監視する方法。
【請求項２】
前記少なくとも１つの変圧器回路が、差動変圧器から成る、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記発振器に対する負荷を減らすために、力率補正インダクタを使用するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記発振器への負荷を減らすために、前記少なくとも１つの変圧器回路に並列にインダクタを付加するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記超音波発生器が、連続インクジェット・プリンタ用のドロップ発生器から成る、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
超音波発生器用の改良された振動監視システムであって、
前記超音波発生器を駆動するための、関連する発振器を有する圧電駆動結晶と、
前記駆動結晶への電流と整合された基準回路への電流とを比較するための差動変圧器回路と、
前記圧電駆動結晶からの容量成分に基づく電流をキャンセルするために、前記比較を使う手段であって、これにより得られる出力電流が前記超音波発生器の振動の振幅及び位相についての直接的な計測を行う手段と、
を有するシステム。
【請求項７】
前記発振器に対する負荷を減らす力率補正インダクタをさらに備える、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記発振器への負荷を減らすように前記差動変圧器回路と並列にインダクタをさらに備える、請求項６に記載のシステム。
【請求項９】
前記超音波発生器が、連続インクジェット・プリンタ用のドロップ発生器から成る、請求項６に記載のシステム。
【請求項１０】
前記超音波発生器が、超音波溶接ホーンから成る、請求項６に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は振動監視に関し、より詳細には、任意の超音波発生器における刺激を監視することに関する。
【０００２】
【従来の技術】
振動監視は様々なシステムおよび産業で有用である。超音波洗浄機、超音波溶接機、超音波加工機、および連続インクジェット・ドロップ発生器などの超音波発生器は、様々な目的に使用される。例えば、連続インクジェット・プリンタにおいてドロップの正確な荷電および偏向を実現するために、ドロップ分断プロセスで、一様なサイズとタイミングのドロップを生成することが重要である。そのようなプリンタ用ドロップ発生器は、インクが出てくるオリフィスを振動させることで必要なドロップ形成を行う。
【０００３】
米国特許第５，３８４，５８３号に述べられているように、刺激増幅の制御を行いまたドロップ発生器の共振を追跡するために、帰還トランスデューサがこれまで使用されていた。この特許は、言及によりその全体を本明細書に含めるものとする。帰還信号が十分な信号対雑音を有するとき、この帰還トランスデューサは適切に動作する。先の開示に述べられているようにプッシュプル帰還システムを使用することで、荷電トランジェントによるまたは刺激駆動信号の電子的結合による雑音を有効に抑制することができる。
【０００４】
個々のトランスデューサは、２個のトランスデューサが拾う雑音が同じ様になるように、互いに近接して配置することができ、これによって、雑音を相殺することができる。個々のトランスデューサを適切に配置することは、無関係な振動モードからの出力信号を除去するのに役立つことがある。
【０００５】
しかし、ドロップ発生器の設計では、他の無関係なモード（extraneous mode）全てを適切に抑制するように、トランスデューサを配置することは現実的ではない。これは、帰還トランスデューサを配置するのに十分なスペースがないこと、または使用可能な表面スペースでは出力振幅が低い、ということによる。いくつかのドロップ発生器の設計では、無関係なモードの検出を有効に抑制するためには、駆動トランスデューサが既に占有しているスペースに帰還トランスデューサを配置することが必要になることになる。このことは、望ましくないモードの励起を抑制するために、特定の配列で駆動トランスデューサを配置する必要があることから生じる。
【０００６】
そのようなシステムでは、帰還トランスデューサとしても駆動トランスデューサを使用することが望ましいことになる。米国特許第３，８６８，６９８号は、駆動トランスデューサのインピーダンス特性を利用して、共振周波数を追跡するが、インクジェット・システムの制御で使用するための、振動の振幅および位相を監視する手段を教示していない。
【０００７】
ドロップ発生器の駆動とその結果として生じた振動の検出との両方に圧電駆動用結晶を使用する有効な手段を持つことが望ましいことになる。さらに、圧電駆動トランスデューサの大きなキャパシタンスは、高周波動作時に、駆動電子回路にかなり大きな負荷を与えることがある。これによって、最大駆動振幅が相当に制限されることがある。したがって、駆動トランスデューサのキャパシタンス・レベルが大きい場合でもより大きな駆動振幅を可能にする手段を持つことが望ましいことになる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、インクジェット・プリント・システムのドロップ発生器のような超音波発生器において、誘起された振動または刺激を監視するために駆動圧電トランスデューサを使用する、回路のような手段を提供することである。本発明は、インクジェット・プリントの分野だけでなく、超音波洗浄機および溶接機の監視を含む他の分野でも有用である。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の一形態によれば、駆動トランスデューサへの電流を整合された基準回路と比較するために、差動回路を使用する。圧電トランスデューサからの容量成分に基づく電流がこのようにしてキャンセルされるので、得られる出力電流がドロップ発生器の振動振幅に直接的に比例する計測を行うことができる。容量性圧電駆動トランスデューサに対して並列に適切なインダクタを付加することで、駆動電子回路への負荷は相当に減少する。
【００１０】
本発明の他の目的および利点は、次の説明および添付の特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明では、次式の圧電トランスデューサのセンサ方程式を使用する、刺激振幅を監視する方法が使用される。
【００１２】
ΘT*ｒ＝ｑ−Ｃp*ν
ここで、ΘTは圧電結合マトリックス、ｑは圧電トランスデューサで生成される、またはそれに供給される電荷、Ｃpは圧電トランスデューサのクランプされたキャパシタンス、また、νは電圧の時間微分である。値ｒは圧電トランスデューサの歪みであり、トランスデューサでの変位に対応する。クランプ・キャパシタンスの項Ｃp*νは、トランスデューサのキャパシタンスに供給された電荷に対応し、これは圧電トランスデューサの運動とは無関係である。
【００１３】
上の式から、クランプ・キャパシタンスの項が式の右側から除去できれば、電流は速度に正比例することが分る。これを行うために、図１の回路を提案する。図１の従来技術の回路１０に示すように、発振器からの駆動信号１２が、圧電トランスデューサ１４と整合コンデンサ１６の両方に供給される。ここで、この整合コンデンサのキャパシタンスは、圧電トランスデューサのクランプ・キャパシタンスに等しい。圧電トランスデューサおよび整合コンデンサの接地側に、整合された増幅器１８がある。整合された電荷増幅器は、各々、入力の圧電トランスデューサまたはコンデンサの電荷に比例した電圧出力を生成する。整合コンデンサのキャパシタンスは、圧電トランスデューサのクランプ・キャパシタンスに等しく設定されているので、整合コンデンサの電荷は、クランプ・キャパシタンスによる圧電トランスデューサの電荷に等しくなる。整合コンデンサの電荷はクランプ・キャパシタンスによる圧電トランスデューサの電荷に等しいので、下の方の電荷増幅器からの電圧は、センサ方程式のクランプ・キャパシタンスの項で生成される上の方の増幅器からの電圧に等しくなる。したがって、差増幅器２０からの出力は、クランプ・キャパシタンスの効果を取り除いて、トランスデューサで生成された変位に正比例した出力を与える。
【００１４】
このセンサ・アクチュエータ回路１０は、所望の出力を与えるが、帰還信号２２として使用することには、いくつかの欠点がある。第１に、刺激駆動回路に使用された場合、各電荷増幅器の入力は、かなり大量の電流を処理しなければならない。この電流を処理することができる所望の演算増幅器を入手することが困難なことがある。第２に、回路は、トランスデューサの接地側で電流を監視する。ドロップ発生器では、このために、圧電トランスデューサがドロップ発生器から絶縁されているか、またはドロップ発生器がプリントヘッドのその他の部分から絶縁されていることが必要になる。ドロップ発生器から圧電トランスデューサを電気的に絶縁することは、音響的な結合に対してマイナスの効果を持つことがあるので、このことはドロップ発生器を電気的に絶縁することを意味するかもしれない。第３に、帰還回路でドロップ発生器を接地しなければならないことで、ドロップ荷電電流はこの回路を通して流れなければならなくなる。したがって、この荷電電流も増幅器で増幅される。荷電電流は、刺激周波数の交流成分を持つと考えられるので、この雑音信号は簡単にフィルタ除去できないかもしれない。結果として得られる帰還信号は、プリントヘッドのプリント・キャッチ・デューティ・サイクルと関連して変調されるかもしれない。第４に、駆動信号は、圧電トランスデューサだけでなく、整合コンデンサにも供給されなければならないので、駆動電子回路は、電流負荷が増加する。
【００１５】
自己感知式アクチュエータの一般的な回路に関連した問題は、本発明で提案する変圧器システムで解決することができる。図２〜５を参照して、本発明による変圧器回路の実施形態を説明する。回路２４、２６、２８、および３０において、駆動電圧は、ドロップ発生器と整合コンデンサの両方に供給される。圧電トランスデューサと整合コンデンサの両方の駆動線路内にある変圧器によって、駆動電流が二次側に結合される。二次側に生成された電流は、二次側の抵抗を通して流れて、各抵抗の両端間に電流に比例した電圧を生成する。回路の整合コンデンサの脚の二次側を逆にして、二次側の電流を逆にし、さらに抵抗を直列に接続することで、圧電トランスデューサから見て速度に比例した所望の出力を得ることができる。
【００１６】
したがって、本発明の変圧器回路は、多量の電流を演算増幅器内へシンクすることを必要とするという問題を除去する。この変圧器回路によって、回路をトランスデューサの接地側からトランスデューサの駆動側に移すこともできるようになる。これによって、ドロップ発生器を電気的に絶縁しようとする試みに関連した問題、および監視されかつ刺激帰還システムに結合されているドロップ荷電電流の問題は無くなる。
【００１７】
圧電トランスデューサ１４のクランプ・キャパシタンスに整合されたコンデンサ１６を有することに加えて、図２の回路２４は、整合されるべき２つの変圧器３２と３４および抵抗３６と３８を必要とする。しかし、この回路には、依然として、刺激駆動回路に負荷をかけるという問題がある。第２の可能性のある問題は、二次側の抵抗による電力低下である。
【００１８】
したがって、本発明は、図３に示す別の変圧器回路２６を提案する。図３の差動変圧器回路によって、図２の回路２４で起きる可能性がある問題は無くなる。図３では、差動変圧器回路は、３本脚の変圧器４０を使用する。駆動信号は、変圧器の２本の一次側の脚に供給される。これらの脚は、今度は、圧電トランスデューサ１４および整合コンデンサ４２に接続される。２つの一次巻線への電流が整合されていれば、二次側に電流が誘起されないように、整合コンデンサ４２の脚の一次側を逆にする。圧電トランスデューサへの電流が整合コンデンサへの電流と異なる場合、変圧器の出力の脚の電流は、一次側の電流差に比例する。出力電流によって、抵抗４６の両端間に電圧が生成され、この電圧が出力４４から見える。電流差に関係した電流だけが二次側に生成されるので、抵抗４６に捨てられる電力は減少する。この図で、圧電トランスデューサは、約６８ｎｆのクランプ・キャパシタンスを持つ。
【００１９】
図３の回路は、１０対１の昇圧変圧器４０を使用する。昇圧変圧器の使用は、出力振幅を大きくするためだけでなく、二次側の両端間の抵抗のために変圧器の一次側の脚に見えるインピーダンスを下げるためにも有益である。１０対１の昇圧変圧器の場合、二次側の１００オームの抵抗器で、一次側にたった１オームのインピーダンスが生成される。
【００２０】
図３で続けて、発振器の電流負荷を軽減するために、回路２６は、力率補正用のインダクタ４８を含む。所望の動作周波数に対する適切なインダクタンス値は、回路インピーダンスの解析から得ることができる。動作周波数で回路インピーダンスの虚数項がゼロになるインダクタンスにより、所望の力率補正が得られる。適切なインダクタンスを使用して、駆動源が見る容量性電流を減少させることができる。その結果、駆動源にかかる負荷は減少する。
【００２１】
この刺激監視の好ましい実施形態は、力率補正インダクタを備えて駆動回路の電流負荷を減少させるが、この特徴のない、差動変圧器システムを使用することができる。これは、キャパシタンスが小さい場合、またはシステムが広い周波数範囲にわたって動作しなければならない場合に好ましいことがある。
【００２２】
ドロップ発生器の駆動周波数および超音波負荷が変化するときに、差動変圧器回路２６からの出力は、振動速度の振幅および位相を追跡する。差動変圧器からの出力と、米国特許第５，３８４，５８３号に開示されまた特許請求されているような、プッシュプル帰還システムからの出力とを比較すると、同じドロップ発生器について、プッシュプル帰還システムよりも差動変圧器システムからの方がほぼ１０ｄｂ高いことが示される。この特許は、言及によりその全体を本明細書に含めるものとする。この差動変圧器回路出力は、全ての駆動結晶に流れる電流から得られるので、配列の長さ方向に一様でない共振の検出を抑制する傾向がある。その結果、出力利得と位相のグラフで、無関係なモードの検出を抑制する点で、従来技術のプッシュプル帰還システムよりも、差動変圧器の方がうまくいくことを示すことができる。
【００２３】
図３の差動変圧器は、圧電トランスデューサで速度を追跡する出力を与える。望ましい場合には、回路は変位を追跡するようにすることができる。これは、図３で、変圧器の二次側の両端間の抵抗４６を、図４に示すようなコンデンサ４８に置き換えることで行うことができる。この回路２８は、トランスデューサの機械共振において、駆動信号と帰還信号の間に９０゜の位相シフトを作る。一方で、図３の回路は、トランスデューサの機械共振において、駆動信号と帰還信号の間に０゜の位相シフトを作る。これら２回路のいずれを選択するかは、この振動監視回路からの出力を使用する制御回路の設計に基づく。
【００２４】
ある用途では、雑音受信の結果で監視回路から平衡出力を与えるのが望ましい。図５は、接地に関して対称な、そのようなプッシュプル構成５０を示す。
上に示した振動監視回路は全て、圧電トランスデューサのクランプ・キャパシタンスに整合されたコンデンサを使用する。図６は、２つの一次側の巻数比がもはや１対１でない代替の実施形態を示す。これによって、整合コンデンサのキャパシタンスは、圧電トランスデューサのクランプ・キャパシタンスに対して、一次側の巻数比だけ、増加・減少させることができる。これは、より小さな、より好都合な整合コンデンサを使用することができるようになり、有用である。変圧器回路への電流の要求が減少することで、力率補正インダクタ４８の必要性が減少するか、または無くなる可能性がある。
【００２５】
変圧器回路、特にここで図示した差動変圧器回路の概念は、連続インクジェット・プリンタ用ドロップ発生器の振動振幅を監視するために、特に、有用である。しかし、ここで教示した回路はまた、多くの他の圧電駆動振動システムにおいて振動振幅を監視するのにも有用である。そのようなシステムには、超音波溶接機および超音波洗浄機がある。これら両方の用途で、本回路は、駆動周波数を共振に固定し、振動の振幅をサーボ制御するために望ましい振幅および位相の情報を提供することができる。一般に、電力のかなりの量が振動を生成するために圧電トランスデューサに供給されるこれらの用途に関して、この振動監視回路は従来技術よりも好ましい。トランスデューサの接地側に監視回路を入れることが望ましくない、またはできない場合にも、この振動監視回路は好ましい。
【００２６】
以上、ある特定の好ましい実施形態を特に参照して、本発明を詳細に説明したが、本発明の精神および範囲内で、修正および変形を行うことができることは理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】自己感知式トランスデューサのための従来技術の回路を示す。
【図２】本発明による、刺激監視を行うための変圧器回路を示す。
【図３】本発明による、刺激監視を行うための差動変圧器回路を示す。
【図４】本発明による、刺激監視を行うための差動変圧器回路の代替の実施形態を示す。
【図５】本発明による、刺激監視を行うための差動変圧器回路のさらに代替の実施形態を示す。
【図６】本発明による、刺激監視を行うための差動変圧器回路のさらに代替の実施形態を示す。
【符号の説明】
１２  発振器からの駆動信号
１４  圧電トランスデューサ
１６  整合コンデンサ
２２  帰還信号
３２  変圧器
３４  変圧器
４０  昇圧変圧器
４２  整合コンデンサ
４４  出力
４８  力率補正用インダクタ
５０  プッシュプル構成
【図１】
0004122180.tif 000002
【図２】
0004122180.tif 000003
【図３】
0004122180.tif 000004
【図４】
0004122180.tif 000005
【図５】
0004122180.tif 000006
【図６】
0004122180.tif 000007