JP2980164B2 - 機能型半導体スイッチング・アレイ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、機能型半導体スイ
ッチング・アレイ装置に係り、特に小型モータやプリン
トヘッド等を駆動するパワー素子を備えた機能型半導体
スイッチング・アレイ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、一般のＯＡ機器に使用される素子
については、その発熱を直接監視することは行っていな
い。このため、かかる素子を装備するに際しては、実際
に使用する負荷よりも余裕を持った高価で且つ容量の大
きい大型の素子を使用せざるを得ないという現実があっ
た。

【０００３】一方、昨今にあっては、ＯＡ機器等の長時
間連続運転等に鑑み、パワー半導体素子に対する耐久性
増大を意図して、特開平４−１１９００４号公報，特開
平２−１３５８１８号公報，特開平４−２７３０３０号
公報等、過熱実施例の非動作制御に関する種々の新技術
が提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例にあって大型素子の使用については、基板上の回路
実装面積の増大をきたし、外部に温度検出回路を設ける
と更に実装面積が大きくなるという不都合が生じ、ひい
ては装置全体の大型化を招来するという不都合が常に伴
っていた。

【０００５】また、特開平４−１１９００４号公報，特
開平２−１３５８１８号公報，特開平４−２７３０３０
号の各公報については、いずれも過熱時における素子そ
のものの保護（動作停止）を意図したものであり、かか
る点においては有効に機能するものであるが、一方、こ
れを組み込んだ機器については、その動作が中断すると
いう不都合が生じていた。

【０００６】

【発明の目的】本発明は、かかる従来例の有する不都合
を改善し、とくにパワー素子の過熱状態が発生してもこ
れを装備した機器の動作を中断することなく全体的には
連続動作を可能とした耐久性良好な機能型半導体スイッ
チング・アレイ装置を提供することを、その目的とす
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の発明では、複数のパワートランジス
タ等の半導体パワー素子を含むパワー半導体スイッチン
グ・アレイと、このパワー半導体スイッチング・アレイ
内に埋設された温度監視素子とを備えている。この温度
監視素子からの出力に基づいて作動し前述したパワー半
導体スイッチング・アレイを駆動制御する制御回路部
が、パワー半導体スイッチング・アレイに併設されてい
る。

【０００８】そして、制御回路部が、パワー半導体スイ
ッチング・アレイを構成する複数の半導体パワー素子を
少なくとも１つの半導体パワー素子から成る一方の半導
体パワー素子群と，それ以外の他方の半導体パワー素子
群とに二分する制御対象分割機能を有すると共に、プリ
ンタヘッドの印字出力等の導通制御に際しては、前記一
方と他方の半導体パワー素子群を交互に選択し例えば一
行を二回に分けて導通制御する２フェーズ動作制御機能
を備えている、という構成を採っている。

【０００９】このため、この請求項１記載の発明では、
まず、パワー半導体スイッチング・アレイの各半導体パ
ワー素子が作動している場合は、全ピン通電動作による
抵抗損失で当該スイッチング・アレイは発熱する。この
スイッチング・アレイ１の発熱状態は、温度監視素子２
を介して制御回路部３によって監視されている。 一方、
全ピン通電動作によりスイッチング・アレイが発熱して
予め特定した所定の温度をこえると、前述した制御回路
部が直ちに作動し、各半導体パワー素子の少なくとも一
つを通電停止制御する。これにより、同時動作のピン数
を減らすことで発熱が少なくなる。このため、常に半導
体パワー素子の定格近くで且つ定格をこえない範囲で負
荷を通電動作させることができる。又、プリンタヘッド
の印字出力等に際しては一方と他方の半導体パワー素子
群を交互に通電制御するようにしたので、例えば全ピン
通電動作による抵抗損失で当該スイッチング・アレイが
発熱した場合には、直ちに当該請求項２にかかる制御回
路部を作動させてこれに対応することにより、通電対象
物の動作を停止させることなく、常に半導体パワー素子
の定格近くで且つ定格をこえない範囲で負荷を通電動作
させることができる。

【００１０】更に、温度監視素子としては、請求項２記
載の発明に示したように例えばサーミスタを使用しても
よい。或いは請求項３記載の発明に示したように例えば
所定のパワートランジスタのコレクターエミッタ間の電
圧変化を検知する電圧検出素子を使用してもよい。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１の実施の形態
を図１乃至図６に基づいて説明する。この第１の実施の
形態では、半導体パワー素子としてパワートランジスタ
を使用し、パワー半導体スイッチング・アレイをパワー
トランジスタ・アレイとした場合を例示する。

【００１２】まず、図１において、符号１は複数（ここ
では四個）の半導体パワー素子としてのパワートランジ
スタ素子１ａを含むパワートランジスタ・アレイを示
す。このパワートランジスタ・アレイ１内には温度監視
素子２が埋設されている。この温度監視素子２からの出
力に基づいて作動し前述したパワートランジスタ・アレ
イ１を駆動制御する制御回路部３が、前述したパワート
ランジスタ・アレイ１に併設されている。

【００１３】この制御回路部３は、前述したパワートラ
ンジスタ・アレイの導通制御の対象物を当該パワートラ
ンジスタ・アレイ１の内の少なくとも１つのパワートラ
ンジスタ素子１ａから成る一方のパワートランジスタ群
と，それ以外の他方のパワートランジスタ群とに二分す
る制御対象分割機能を有している。又、この制御回路部
３は、二分された一方と他方のパワートランジスタ群に
対応して二回に分けて該パワートランジスタ・アレイ１
を導通制御する２フェーズ動作制御機能を備えている。

【００１４】ここで、上述した図１においては、４回路
入りのパワートランジスタ・アレイ１に入っている４つ
のそれぞれパワートランジスタ素子１ａは、各々に対応
するドットプリンタ用プリントヘッド（印字ヘッド）１
０の内の１つのヘッドコイル１０ａを駆動するものす
る。

【００１５】この場合、従来例では、パワートランジス
タ・アレイ１の温度は監視されていないので、４つのパ
ワートランジスタ素子１ａ全てが同時に動作しつづける
ことを考慮した定格の大きい（つまりパッケージ外形の
大きい）ものを使わなければならなかった。

【００１６】これに対して、本実施形態にあっては、パ
ワートランジスタ・アレイ１に内蔵した温度監視素子２
により、パワートランジスタ・アレイ１の温度が、制御
回路部３に伝えられ、パワートランジスタ・アレイ１は
その発熱が定格をこえないような範囲の動作に制御され
る。

【００１７】次に、上記第１の実施形態の動作を説明す
る。まず、図１内に示すパワートランジスタ・アレイ１
の各パワートランジスタ素子１ａがプリントヘッド１０
の四個の各ヘッドコイル１０ａを全て動作させている場
合を想定する。

【００１８】この場合、図２（ａ）に示すように四ピン
を同時に動作させて１フェーズで１行の印字動作を実行
する。そして、これを継続すると全ピン通電動作による
抵抗損失でパワートランジスタ・アレイ１が発熱する。
このパワートランジスタ・アレイ１の発熱状態は、制御
回路部３によって温度監視素子２を介して監視されてい
る。

【００１９】そして、通電され発熱したパワートランジ
スタ・アレイ１の温度が予め特定した所定の一定値Ｔを
こえると、制御回路部３が直ちに作動し、図２（ｂ）に
示すように、四つの各ヘッドコイル１０ａ（つまりプリ
ントヘッド１０のピン）が同時に動作しないように制御
を行い、１行を２回のフェーズに分けて印字する。この
場合は、１行を二回に分けて３ピン動作と１ピン動作と
が実行される。そして、この同時動作のピン数を減らす
ことで発熱が少なくなる。

【００２０】その後、パワートランジスタ・アレイ１の
温度が下がれば、また４ピンが同時動作するように制御
される。これを繰り返すことにより、図１のパワートラ
ンジスタ・アレイ１の各パワートランジスタ素子１ａを
定格値近くで使用することができる。この場合のパワー
トランジスタ・アレイ１の温度上昇の変化を図３に示
す。

【００２１】図４に、温度監視素子とパワートランジス
タ素子１ａとの関係を示す。この図４において、温度監
視素子としてはサーミスタ２Ａが使用されている。この
サーミスタ２Ａは、その先端部の感熱部がパワートラン
ジスタ素子１内に埋設されている。このため、これによ
ると、パワートランジスタ素子１ａの温度上昇を内部か
ら直接検出することができるほか、比較的安価で且つ耐
久性あるパワートランジスタ・アレイ１を得ることがで
きる。

【００２２】ここで、図４においては、パワートランジ
スタ素子１ａ毎にサーミスタ２Ａを装備するようにした
が、単体のパワートランジスタにサーミスタ２Ａを装備
してこれを複数装備するようにしてもよい。また、パワ
ートランジスタ・アレイ１の全体に対してサーミスタ２
Ａを１個装備するように構成してもよい。

【００２３】図５（ａ）（ｂ）に、温度監視素子２の他
の例を示す。この図５（ａ）（ｂ）に示す温度監視素子
は、Ａ／Ｄコンバータ等の電圧検出素子２Ｂによって構
成され、パワートランジスタ素子１ａのエミッタ−コレ
クタ間に接続されている。そして、この電圧検出素子２
Ｂは、外部からのイネーブル信号によって作動し、温度
によって僅かに変化するパワートランジスタ素子１ａの
エミッタ（Ｅ）−コレクタ（Ｃ）間の電圧変化を高精度
に外部出力し得るようになっている。

【００２４】この図５（ａ）（ｂ）においても、前述し
た図４の場合と同様にパワートランジスタ素子１ａ毎に
電圧検出素子２Ｂを装備するようにしたが、単体のパワ
ートランジスタに電圧検出素子２Ｂを装備してこれを複
数装備するようにしてもよい。また、パワートランジス
タ・アレイ１の全体に対して電圧検出素子２Ｂを１個装
備するように構成してもよい。

【００２５】次に、第２の実施の形態を図６乃至図７に
基づいて説明する。この第２の実施の形態では、ステッ
ピングモータ２０はパワートランジスタ・アレイ１で駆
動するように構成されている。即ち、ステッピングモー
タ２０の四個のモータコイル２０ａは、図６に示すよう
に、パワートランジスタ・アレイ１の四個のパワートラ
ンジスタ素子１ａによって個別にオン／オフ駆動される
ようになっている。その他の構成は前述した図１の実施
形態と同一となっている。

【００２６】このため、この第２の実施形態にあって
は、パワートランジスタ・アレイ１１に内蔵した温度監
視素子１２により、パワートランジスタ・アレイ１１の
温度が制御回路部１３に伝えられ、パワートランジスタ
・アレイ１１はその発熱が予め設定された一定値を大幅
にこえないような範囲で駆動制御されるようになってい
る。

【００２７】そして、通電によってトランジスタ・アレ
イ１１の発熱温度がある一定値を越えた場合には、直ち
に制御回路部１３が作動してパワートランジスタ・アレ
イ１１の有するパワートランジスタ素子１１ａの少なく
とも一つ（場合によっては全部）の動作を停止制御し、
温度が下がるのを待つ。温度が下がれば、制御回路部１
３が作動して導通停止されたパワートランジスタ素子１
１ａに対する通電動作を開始する。図４に、パワートラ
ンジスタ素子１１ａの全部の動作を停止させた場合の
「トランジスタ・アレイ１１の動作と温度上昇との関
係」を示す。

【００２８】この場合、ステッピングモータ２０の各駆
動コイル２０ａについては、前述した第１の実施形態
（図１）の場合と同様に所定のコイル２０ａの一又は二
以上を停止制御して他の駆動コイル２０ａを動作させて
（全体的にはトルクが低減するが）ステッピングモータ
２０としての動作を継続するようにしてもよい。

【００２９】また、停止制御の対象物たるパワートラン
ジスタ素子１１ａについては、特定のパワートランジス
タ素子１１ａのみを対象とするのではなく、停止制御の
対象物（パワートランジスタ素子）を順次変えたもよ
い。この場合は、過負荷状態が経時的に分散されるため
各パワートランジスタ素子の耐久性増大を図り得る。

【００３０】このように、図６に示す第２の実施形態に
おいても、制御回路部１３の制御動作によって、パワー
トランジスタアレイ１１を定格値近くで使い続けること
ができるという利点がある。

【００３１】ここで、上記各実施形態にあっては、温度
監視素子として、サーミスタ２Ａ又は電圧検出素子２Ｂ
を装備した場合を例示したが、温度検出素子としてはこ
の二種類に限定する必要はなく他の手法であってもよ
い。

【００３２】また、上記各実施形態にあっては、パワー
トランジスタ・アレイ１，１１に温度検出素子を装備し
たものについて例示したが、このパワートランジスタ・
アレイ１１に代えて、ＦＥＴ，ダイオード，サイリス
タ，トライアック，レクテファイア，レギュレータ等、
又はそのアレイ化されたもの全ての半導体パワー素子に
も同様に適用し得るものである。

【００３３】また、上記各実施形態にあっては、四つの
通電回路のパワートランジスタアレイ１，１１について
例示したが、通電回路については複数であれば、特に四
回路に限定するものではない。

【００３４】

【発明の効果】本発明は以上のように構成され機能する
ので、これによると、制御回路部の制御機能によってパ
ワー半導体スイッチング・アレイを構成する各半導体パ
ワー素子を定格近くで使い続けることが可能となり、こ
のため、定格値に余裕のある大きなパッケージの素子を
使う必要がなくなり、従って、半導体パワー素子の小型
化（即ち、パワー半導体スイッチング・アレイの小型
化）が可能となり基板上の回路実装面積を小さくするこ
とができ、また、パワー素子の過熱時にあっても当該素
子の熱破壊を引き起こすことなくこれを組み込んだ機器
の全体的な動作の継続を可能とすることができ、同時
に、上述した如く容量の小さい半導体パワー素子を使用
し得るので、装置全体の小型化および原価低減を図り得
るという従来にない優れた機能型半導体スイッチング・
アレイ装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態を示す回路図であ
る。

【図２】図１の動作を示す図で、図２（ａ）は１行の文
字等を一回の行程で印字出力する１フェーズ（四ピン同
時動作）の場合を示す説明図、図２（ｂ）は１行の文字
等を二回の行程で印字出力する２フェーズ（３ピン＋１
ピン別動作）の場合を示す説明図である。

【図３】図１の動作中に生じるパワートランジスタ・ア
レイの温度変化を示す説明図である。

【図４】図１に開示したパワートランジスタ・アレイの
パワートランジスタとパワートランジスタ・アレイ内に
封入されたサーミスタとの関係を示す説明図である。

【図５】図１に開示したパワートランジスタ・アレイの
パワートランジスタと電圧検出素子との関係を示す図
で、図５（ａ）はパワートランジスタ・アレイ内に封入
された状態の電圧検出素子を示す説明図、図５（ｂ）は
電圧検出素子の動作を示す説明図である。

【図６】本発明の第２の実施の形態を示す回路図であ
る。

【図７】図６に示す第２の実施の形態の動作中に生じる
パワートランジスタ・アレイの温度変化を示す説明図で
ある。

【符号の説明】１，１１ パワー半導体スイッチング・
アレイとしてのパワートランジスタ・アレイ １ａ，１１ａ 半導体パワー素子としてのパワートラン
ジスタ素子 ２ 温度監視素子 ２Ａ サーミスタ ２Ｂ 電圧検出素子（ＡＤコンバータ） ３，１３ 制御回路部 １０ プリントヘッド １０ａ プリントヘッドコイル ２０ ステッピングモータ ２０ａ モータコイル

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数のパワートランジスタ等の半導体パ
   ワー素子を含むパワー半導体スイッチング・アレイと、
   このパワー半導体スイッチング・アレイ内に埋設された
   温度監視素子とを有し、この温度監視素子からの出力に
   基づいて作動し前記パワー半導体スイッチング・アレイ
   を駆動制御する制御回路部を前記パワー半導体スイッチ
   ング・アレイに併設し、 前記制御回路部が、前記パワー半導体スイッチング・ア
   レイを構成する複数の半導体パワー素子を少なくとも１
   つの半導体パワー素子から成る一方の半導体パワー素子
   群と，それ以外の他方の半導体パワー素子群とに二分す
   る制御対象分割機能を有すると共に、プリンタヘッドの
   印字出力等の導通制御に際しては前記一方と他方の半導
   体パワー素子群を交互に通電制御して一行を二回に分け
   て印字出力する２フェーズ動作制御機能を備えているこ
   とを特徴とした機能型半導体スイッチング・アレイ装
   置。
2. 【請求項２】 前記温度監視素子を、サーミスタ等の温
   度検知素子としたことを特徴とする請求項１記載の機能
   型半導体スイッチング・アレイ装置。
3. 【請求項３】 前記温度監視素子を、所定のパワートラ
   ンジスタのコレクターエミッタ間の電圧変化を検知する
   電圧検出素子としたことを特徴とする請求項１記載の機
   能型半導体スイッチング・アレイ装置。