JP4646291B2 - インクジェットプリントヘッドの温度制御装置 - Google Patents

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Description

本発明はインクジェットプリンタに係り、特にヒーター駆動用ＦＥＴ（field-effect transistor）のドレインとソースを流れる電流の強度によってヒーター駆動用ＦＥＴの作動条件を迅速に制御してヘッド基板を一定温度に上昇させて保持させるインクジェットプリントヘッドの温度制御装置に関する。
インクジェットプリンタは、印刷品質のためにヘッド基板を常に一定温度に加熱してヘッドのノズルから吐出されるそれぞれのインク液滴の大きさを一定に保持させる。これにより、安定した印刷品質のためにヘッド基板の温度変化によって制御応答性が改善された多様なヘッド温度制御装置が提案されてきた。
従来のヘッド温度制御装置の１つとしてヘッド基板を加熱するために発熱抵抗の補助ヒーターを使用する温度制御方式があるが、ヘッド基板には一般的に主ヒーターに十分な電流を印加するためにヘッド基板の中央部上に並列に連結させて電流容量を増加させた複数の主ヒーター駆動トランジスタが配される。したがって、補助ヒーターを別途に使用する制御方式ではヘッド基板の限定されたスペースによって補助ヒーターをヘッド基板の両側サイドに限定して配置するので、ヘッド基板の均一な加熱が困難であった。
また、ヘッド基板のエッジ部周囲に配された温度センサーは基板を加熱する補助ヒーターと異なる位置に配されるために、温度センサーで測定された温度を反映して補助ヒーターを迅速に制御するのに難点があった。
これに対する代案として補助ヒーターの発熱抵抗なしに、図１のように主ヒーターだけを用いてヘッド基板を加熱する方式のヘッド温度制御装置が提案された。
図１の装置では、インク吐出しモードでの動作時には制御部（図示せず）でウォーミングトランジスタ１８より大容量の駆動トランジスタ１６を駆動させて十分な電流を発熱抵抗の主ヒーター１４に印加してインクを吐出した。
一方、基板加熱モード時にヘッドのインクチャンバ１３のそれぞれに対して動作するウォーミングトランジスタ１８は、温度センサー（図示せず）によりヘッドの温度がヘッド基板の設定温度より低い場合、ウォーミング制御信号によってウォーミングパルスを主ヒーター１４に印加して基板温度を適正温度に保たせる。
この際、ウォーミングトランジスタ１８は主ヒーター１４を用いて基板温度を上昇させるためにウォーミングトランジスタ１８から出力される信号はインク１０がノズル１２を通じて吐出されない程度の低電圧またはより狭い信号パルス幅でウォーミング制御信号が制限されて主ヒーター１４に印加されねばならない。したがって、主ヒーター１４の微弱な加熱温度により基板の温度を基準温度まで上昇させるには長時間がかかる問題点があった。
また、図２に示されたような、補助ヒーターとして発熱抵抗を使用せずにトランジスタの作動抵抗を用いて基板を加熱する方式は特許文献１に開示されている。
図２において第１パスＦＥＴ２００のゲートに制御信号Ｑ１がハイレベルになれば、第１パスＦＥＴ２００のドレインに接続された回路の電源ＶＤがソースを通じて多数のトランジスタで構成された第２パスＦＥＴ２１０のドレインとイネーブルＦＥＴ２２０のドレインに供給される。イネーブルＦＥＴ２２０のドレイン電圧は主ヒーター駆動ＦＥＴ２３０のゲートに接続されてゲート電圧がハイレベルである時、ヒーター電源ＶＨの電流が主ヒーター２４０とヒーター駆動ＦＥＴ２３０とを通じて接地に流れるようになる。
ここで、第１、第２パス及びイネーブルＦＥＴ２００、２１０、２２０それぞれは作動抵抗（ｏｎ−ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）が２００Ωでヒーター駆動ＦＥＴ２３０より高い抵抗特性を有するように構成されているために、各ゲートに接続された制御信号Ｑ１〜Ｑ５、ＣＥによって動作時に作動抵抗によって発熱されてヘッド基板の温度を上昇させるようになっている。
しかし、基板加熱モード時やヒーター加熱モード時にも第１パスＦＥＴ２００を常にオン状態に維持させつつヘッド基板の温度を上昇させるので、ヘッド基板の温度制御に難点があった。また、電流駆動容量のために多数のトランジスタ（図示せず）で構成されたヒーター駆動ＦＥＴ２３０がヘッド基板の大部分の領域を占めるので、加熱可能な第１、第２パスＦＥＴ２００、２１０を均一に配置させてヘッド基板の温度を制御するのに難点があった。
ＵＳ第６，２８６，９２４号公報
本発明が解決しようとする技術的課題は、ヘッド基板内のヒーター駆動用ＦＥＴの作動条件を変化させてヒーター駆動用ＦＥＴのスイッチングロスと主ヒーターによる発熱を用いてヘッド基板を加熱することによって、温度制御応答性に優れたインクジェットプリントヘッドの温度制御装置を提供するところにある。
本発明の前記技術的課題を達成するためのインクジェットプリントヘッドの温度制御装置は、ヒーターに接続されてゲート入力されたパルス波形によってヒーター電源を前記ヒーターに通電させるヒーター駆動ＦＥＴと、前記ヒーター駆動ＦＥＴのドレインとソース間に流れる電流の大きさを電圧に変換して出力する電流センサー部と、前記電流センサー部で出力した電圧を所定の基準電圧と比較する比較部と、前記ヒーター駆動ＦＥＴでスイッチングロスによる発熱が発生されうる高いデューティーサイクルを有するパルス列であるウォーミング制御信号を生成するウォーミング制御信号生成部と、前記比較部の出力信号をゲート端子に流入させ、比較部の出力信号レベルによって前記ウォーミング制御信号を前記ヒーター駆動ＦＥＴのゲートに接続させて出力するスイッチング部と、を備え、前記高いデューティーサイクルを有するパルス列の信号の印加に伴い、前記ヒーター駆動ＦＥＴのドレインとソースとの両端間の電圧と電流のレベルが互いに反転されることによって発生するスイッチングロスにより該ヒーター駆動ＦＥＴ自体が発熱してヘッド基板を上昇させることを特徴とする。
また、前記比較部は前記電流センサーの出力電圧が前記基準電圧より低い場合、前記第１スイッチングＦＥＴのゲートにアクティブ信号として出力信号を印加することが望ましい。
また、前記電流センサー部は前記ヒーター駆動ＦＥＴのソースと接地間に接続されたシャント抵抗であることが望ましい。
また、前記スイッチング部は、前記ウォーミング制御信号を流入させるドレインと、前記比較部の出力信号を流入するゲート端子と、前記ヒーター駆動ＦＥＴのゲートに接続されたソース端子と、を備えた第１スイッチングＦＥＴであることが望ましい。
また、前記スイッチング部は、前記第１スイッチングＦＥＴとは並列に接続されて吐出しイネーブル信号を流入させるゲート端子と、プリンタのインク吐出し制御信号を流入させるドレイン端子と、吐出しイネーブル信号によって前記インク吐出し制御信号を出力するソース端子と、を備えた第２スイッチングＦＥＴをさらに含むことを特徴とする。
本発明によれば、ヒーター駆動用ＦＥＴのソースドレイン間の電流の強度によって測定したヒーター駆動用ＦＥＴの温度が基準温度より低い場合、デューティーサイクルの高いパルス列で構成されたウォーミング制御信号でヒーターをインクバブル発生温度以下に加熱すると同時にスイッチングロスによるヒーター駆動ＦＥＴを加熱してヘッド基板を適正温度に保持させることによって、温度制御応答性が向上したインクジェットヘッドの温度制御装置を提供する。
以下、添付図面に基づいて本発明のインクジェットプリントヘッドの温度制御装置の望ましい実施例を詳細に説明する。
図３は、本発明のインクジェットプリントヘッドの温度制御装置の一実施例の回路図であって、インクを加熱するための発熱抵抗のヒーター３１６と、流入したウォーミング制御信号の出力をゲート端子に印加された信号によって制御する第１スイッチングＦＥＴ３１２と、インク吐出しモード時にヒーター３１６を加熱させるための通常のインク吐出し制御信号の出力を制御する第２スイッチングＦＥＴ３１４と、第１スイッチングＦＥＴ３１２または第２スイッチングＦＥＴ３１４の出力信号をゲート端子に流入させてヒーター電源をヒーター３１６に通電させてヒーター３１６を加熱させ、前記ウォーミング制御信号のパルス列をゲート端子に流入させてスイッチングスローとして自体発熱するヒーター駆動ＦＥＴ３１８と、ヒーター駆動ＦＥＴ３１８のドレインとソースとを通じて流れる電流の強度を電圧レベルに変換して出力する電流センサー３２０と、前記電流センサー３２０から出力された電圧レベルと基準電圧Ｒｅｆとを比較した出力信号を前記第１スイッチングＦＥＴ３１２のゲートに出力する比較部３２２と、前記ウォーミング制御信号を生成して出力するウォーミング制御信号生成部３１０とを含む。ここで、ウォーミング制御信号生成部３１０はマイコン制御部で構成されうる。
図３の回路動作を説明すれば、プリンタのテキスト印字時には吐出イネーブル信号と通常のフォントメモリ（図示せず）に保存された該当文字のフォントデータによってインク吐出し制御信号を各々第２スイッチングＦＥＴ３１４のドレイン及びゲートに出力する。
第２スイッチングＦＥＴ３１４のソース端はヒーター駆動ＦＥＴ３１８のゲートに接続され、ドレインに印加されたインク吐出し制御信号を吐出しイネーブル信号によって通過させてヒーター駆動ＦＥＴ３１８に印加する。ヒーター駆動ＦＥＴ３１８のドレインとヒーター電源間にヒーター３１６が接続され、ヒーター駆動ＦＥＴ３１８のソースと接地間にはヒーター駆動ＦＥＴ３１８に流れる電流の強度をチェックするための小さな抵抗値を有するシャント抵抗３２０が接続される。したがって、図４Ａに示されたようなインク吐出し制御信号のハイレベルが印加される時はヒーター駆動ＦＥＴ３１８がアクティブされ、ヒーター３１６を通じて流れる駆動電源の電流によりヒーター３１６が発熱されてインクの液滴を吐出するようになる。
ヘッド基板加熱モード時は、シャント抵抗３２０の両端に分割されたヒーター電源の電圧は比較部３２２の負入力端子に入力されて正入力端子の基準電圧ｒｅｆと比較される。ここで、ヒーター駆動ＦＥＴ３１８は温度が低くなるほどヒーター駆動ＦＥＴ３１８の内部電気的抵抗が高まるためにヒーター駆動ＦＥＴ３１８の温度が低くなれば、ヒーター３１６とヒーター駆動ＦＥＴ３１８とシャント抵抗３２０に分割されたヒーター電源においてシャント抵抗３２０にかかる電圧は低くなる。したがって、シャント抵抗３２０の両端間の電圧が基準電圧Ｒｅｆより低ければ、比較部３２２の出力はハイレベルになって第１スイッチングＦＥＴ３１２のゲートに出力される。
この際、ウォーミング制御信号が第１スイッチングＦＥＴ３１２のドレインに入力されているために、アクティブされた第１スイッチングＦＥＴ３１２はウォーミング制御信号をヒーター駆動ＦＥＴ３１８のゲートに印加してヒーター３１６とヒーター駆動ＦＥＴ３１８とを適正温度に上昇させる。
図４Ａはインク吐出し制御信号のパルス波形であり、図４Ｂはウォーミング制御信号のパルス波形であって、図４Ａのパルス幅より狭く、デューティーサイクルの高いパルス列で構成される。
図４Ｂのようにデューティーサイクルの高いウォーミング制御信号のパルスはヒーター３１６を適正温度にウォーミングする。またヒーター駆動ＦＥＴ３１８のゲートの電圧がハイ／ローレベルに反転される度に、図５に示されたようにヒーター駆動ＦＥＴ３１８のドレインとソースとの両端間の電圧ＶＤＳと電流ＩＤＳのレベルが互いに反転されることによって発生するスイッチングロスによりヒーター駆動ＦＥＴ３１８自体でも発熱されてヘッド基板を上昇させる。
一方、ヒーター駆動ＦＥＴ３１８が基準温度以上に上昇する場合、ヒーター駆動ＦＥＴ３１８自体の抵抗成分が低くなってシャント抵抗３２０の両端の電圧が基準電圧Ｒｅｆより高まれば、比較部３２２の出力信号はローレベルになって第１スイッチングＦＥＴ３１２でウォーミング制御信号を遮断させてヒーター駆動ＦＥＴ３１８でスイッチングロスによる発熱を中止して温度を制御する。
図６Ａは、インク吐出しモード時に図３のヒーター駆動ＦＥＴ３１８に印加されるインク吐出し制御信号波形（ａ）、インク吐出し制御信号によるヘッド駆動ＦＥＴ３１８でのドレインとソース間の電圧、電流波形（ｂ）、ヒーター温度（ｃ）、ノズルからインクが吐出される状態（ｄ）を示す。
図６Ａに示されたように、インク吐出しモードでは、インクバブルが発生する程の温度でヒーター３１６を加熱させうるパルス幅を有する通常のヒート制御信号をヒーター駆動ＦＥＴ３１８のゲートに印加すれば、ヒーター３１６がインクバブルの発生温度ｋ以上上昇してノズルからインクが吐出される。
図６Ｂは、ヘッド基板の加熱モード時に図３のヒーター駆動ＦＥＴ３１８に印加されるインク吐出し制御信号波形（ａ’）、インク吐出し制御信号に係るヘッド駆動ＦＥＴ３１８でのドレインとソース間の電圧、電流波形（ｂ’）、ヒーター温度（ｃ’）、ノズルの状態（ｄ’）を示す。
基板加熱モードではインク吐出しモード時より高いデューティーサイクルを有するウォーミング制御信号のパルス列がヒーター駆動ＦＥＴ３１８のゲートに印加されるが、狭いパルス幅によってハイレベルが十分に持続的に印加できないので、ヒーター３１６の温度がインクバブルが発生する温度ｋまで上昇せず、インクが適正温度に保たれる。また、ヒーター駆動ＦＥＴ３１８はスイッチングロスによって自体発生する熱を用いてヘッド基板を加熱することによって、別途の作動抵抗を用いたトランジスタや発熱抵抗の補助ヒーター無しにもヘッド基板を加熱しうる。
本発明は前記実施例に限定されず、ヒーターを適正温度にウォーミングさせると同時にヒーター駆動ＦＥＴのスイッチングロスによる発熱を用いてヘッド基板を加熱する本発明の技術的思想から離脱せずに多様な変形実施例が可能なのは、当業者には周知の事実である。
本発明のインクジェットプリントヘッドの温度制御装置は、温度制御応答性に優れるためにインクジェットプリンタに好適に適用されうる。
従来の主ヒーターだけを用いてヘッド基板を加熱する方式を説明するためのヘッド温度制御装置のブロック図である。 従来のトランジスタ作動抵抗を用いてヘッド基板を加熱するヘッド温度制御装置の回路図である。 本発明のインクジェットプリントヘッドの温度制御装置の一実施例の回路図である。 図３のヒーターを加熱するためのインク吐出し制御信号のパルス波形図である。 図３のヒーター駆動ＦＥＴを加熱させるためのウォーミング制御信号のパルス波形図である。 図３のヒーター駆動ＦＥＴのスイッチングロス時のドレインとソースの両端間の電圧、電流波形図である。 インク吐出しモード時、図３のヒーター駆動ＦＥＴに印加されるインク吐出し制御信号の波形、ヒーター温度、ノズルの状態を示す図である。 ヘッド基板加熱モード時、図３のヒーター駆動ＦＥＴに印加されるウォーミング制御信号の波形、ヒーター温度、ノズルの状態を示す図である。
符号の説明
３１０ ウォーミング制御信号生成部
３１２ 第１スイッチングＦＥＴ
３１４ 第２スイッチングＦＥＴ
３１６ ヒーター
３１８ ヒーター駆動ＦＥＴ
３２０ 電流センサー
３２２ 比較部


Claims (5)

  1. ヒーターに接続されてゲート入力された波形によってヒーター電源を前記ヒーターに通電させるヒーター駆動ＦＥＴと、
    前記ヒーター駆動ＦＥＴのドレインとソース間に流れる電流の大きさを電圧に変換して出力する電流センサー部と、
    前記電流センサー部から出力した電圧を所定の基準電圧と比較する比較部と、
    前記ヒーター駆動ＦＥＴでスイッチングロスによる発熱が発生されうる高いデューティーサイクルを有するパルス列であるウォーミング制御信号を生成するウォーミング制御信号生成部と、
    前記比較部の出力信号をゲート端子に流入させ、比較部の出力信号のレベルによって前記ウォーミング制御信号を前記ヒーター駆動ＦＥＴのゲートに接続させて出力するスイッチング部と、を備え、
    前記高いデューティーサイクルを有するパルス列の信号の印加に伴い、前記ヒーター駆動ＦＥＴのドレインとソースとの両端間の電圧と電流のレベルが互いに反転されることによって発生するスイッチングロスにより該ヒーター駆動ＦＥＴ自体が発熱してヘッド基板を上昇させることを特徴とするインクジェットプリントヘッドの温度制御装置。
  2. 前記電流センサー部は、前記ヒーター駆動ＦＥＴのソースと接地間に接続されたシャント抵抗であることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットプリントヘッドの温度制御装置。
  3. 前記スイッチング部は、前記ウォーミング制御信号を流入させるドレインと、前記比較部の出力信号を流入させるゲート端子と、前記ヒーター駆動ＦＥＴのゲートに接続されたソース端子と、を備えた第１スイッチングＦＥＴであることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットプリントヘッドの温度制御装置。
  4. 前記比較部は、前記電流センサーの出力電圧が前記基準電圧より低い場合、前記第１スイッチングＦＥＴのゲートにアクティブ信号として出力信号を印加することを特徴とする請求項３に記載のインクジェットプリントヘッドの温度制御装置。
  5. 前記スイッチング部は、前記第１スイッチングＦＥＴとは並列に接続され、吐出しイネーブル信号を流入させるゲート端子と、プリンタのインク吐出し制御信号を流入させるドレイン端子と、吐出しイネーブル信号によって前記インク吐出し制御信号を出力するソース端子と、を備えた第２スイッチングＦＥＴをさらに含むことを特徴とする請求項４に記載のインクジェットプリントヘッドの温度制御装置。
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