JP6056121B2 - インクジェット式印刷装置、および、インクジェット式印刷装置の過熱エラー検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、インクの液滴を吐出する複数のノズルを設けたインクジェット式のヘッドを有するインクジェット式印刷装置、および、インクジェット式印刷装置の過熱エラー検出方法に関する。

従来、インクジェット式印刷装置における記録ヘッドは、各種方式に応じた印字素子がノズル毎に実装されている。
このような印字素子として圧電素子があり、圧電素子をインク流路内のインクを加圧する圧力発生手段として使用し、圧電素子を微振動させることにより、インク流路内の容積を変化させてインク滴を吐出させている。
圧電素子に台形状のパルス駆動波形を印加するためのヘッド駆動回路は、一般にプッシュプル回路と呼ばれる回路構成となっており、電流増幅する駆動素子（以下トランジスタと記載）は、不飽和領域で駆動するため発熱が顕著である。通常、圧電素子を駆動するトランジスタの消費電力は、数Ｗ〜２０Ｗ程度と大きいため、ノズル稼働率の高い（高印刷DUTY）での印刷を連続的に行うと、トランジスタのジャンクション温度が急上昇する。

ここで、トランジスタのジャンクション温度が絶対最大定格（例、１５０℃）を超えるようなケースにおいては、トランジスタが熱破壊に至る可能性がある。これを防止するために、一般に、トランジスタを放熱フィンに実装する方法や、ファンによる強制冷却による方法、またはその両方により、トランジスタの温度上昇を防止している。
特に、ライン走査型のインクジェット印刷装置におけるヘッドは、用紙搬送方向（副走査方向）に複数のノズル列（群）を配置したヘッドを使用しているため、ヘッド駆動回路は、ノズル列数分のトランジスタが必要となり、トランジスタの使用員数が多くなる。これら複数のトランジスタを効率良く冷却するために、単一の放熱フィンに複数のトランジスタを実装し、冷却ファンによる強制冷却を行っている。

仮に、冷却用ファンの冷却能力が目詰まり等により低下した場合、或いは、所定の印刷DUTYをオーバしてヘッドを駆動した場合は、トランジスタの発熱量が放熱量よりも多くなりトランジスタが過熱状態になって熱破壊する恐れがある。
そこで、サーミスタ等の温度検出素子をトランジスタ近傍に実装し、所定の過熱エラーのしきい値を設けて、温度検出素子の温度が所定の過熱エラーのしきい値を越えた場合は、アラーム報告や印刷の一時停止、或いは印刷速度を低下させてヘッド駆動回路のトランジスタを熱破壊から防止する技術が既に知られている。

しかし、従来のインクジェット印刷装置にあっては、過熱エラーのしきい値にマージンを持たせて設定していた。以下に具体的に説明する。
インクは環境温度により粘度が変わるため各温度に応じた駆動波形を用意しており、ヘッド内に実装した温度検出素子からの温度情報に基づいて最適な駆動波形に順次切り替えてインクの吐出を行っている。低温下においては、インク粘度が高くなるため、より高い電圧を圧電素子に印加する。また、駆動パルス数を増加する必要があり、その結果としてトランジスタの電力損失が増加する。高温下においては、インク粘度が低下するため圧電素子への印加電圧を下げる必要があり、その結果としてトランジスタの電力損失が減少する。このように、環境温度が変化してもインク滴量が常に一定になるように、最適な駆動波形に切り替えているため、トランジスタの電力損失が変化する。

また、グラフィック画像の形成における階調性を高めるために、ノズル毎にインク滴量の大きさを切り替えることが可能であり、その方法はノズル列に複数のパルス波形から構成された共通の駆動波形を与え、必要なインク滴量に合わせて駆動パルス波形を選択的に駆動することにより行っている。例えば、大滴のインク滴量を選択する場合は複数のパルス波形を選択し、小滴のインク滴量を選択する場合は単一パルス波形を選択する。このように選択したインク滴のサイズにより、ヘッド駆動回路のトランジスタの電力損失が変化する。

また、ノズル列には複数の圧電素子が実装されているので、ノズル列の中の駆動されるノズル数により、トランジスタの電力損失が変化する。更に、ヘッドやノズル列による駆動ノズル数が極端に偏る場合、ヘッド単位やノズル列単位でのトランジスタ電力損失が変化する。
以上のように、ノズル列単位で変化する駆動条件により、ヘッド駆動回路のトランジスタの電力損失が変化するので、最大負荷となる条件の組み合わせにより、トランジスタの電力損失を決定していた。このため、トランジスタの電力損失は大きめに見積もられていた。トランジスタの過熱エラーのしきい値はトランジスタの電力損失を基に算出されるので、トランジスタの電力損失が大きくなると、トランジスタのジャンクションからトランジスタのケース間の温度差が高くなるため、その結果として過熱エラーのしきい値は低く設定されていた。

特許文献１には、しきい値のマージンが大きくなる事に起因するトランジスタやヒートシンク（放熱フィン）の大型化を防止する目的で、電流増幅回路に電流検出回路や電力検出回路を設けて駆動状態の変化を検出し、検出した電流や電力が所定値を越えた場合は、新たに設けた温度の低いしきい値に切り替えている。トランジスタの温度がしきい値を越えた場合は印刷中における待機時間の延長や１パス動作における駆動ノズル数の削減等の駆動制御方法の変更により、トランジスタの発熱を抑えて、トランジスタや冷却フィンの大型化を防止する方法が開示されている。

特許文献２には、駆動回路に流れる電流を検出し、検出した電流を近似式で平均化し、Vce(sat)との乗算により駆動素子の損失を求めてジャンクション温度(Tj)を演算し、Tjが１２０℃を超えたら、印刷速度を低下させて、駆動素子の発熱を抑制する方法が開示されている。

特許文献３には、集積回路の内部温度を検出する技術が開示されており、集積回路内にセンサを内蔵し、センサ出力と基準温度情報に基づいて内部温度を決定している。
特許文献３には、集積回路内に温度センサを内蔵しているが、汎用トランジスタは温度センサが付いておらず、センサ付の駆動回路はカスタム開発品となりコストが高くなるという課題がある。

しかし、特許文献１では、フィンの温度は測定するがジャンクション温度の検知について言及していない。また、特許文献１では、温度がしきい値を超えない手段として、待機時間の延長、一時的に駆動を停止、２パス→４パス（駆動ノズル数の低減）を行っており、これらはシリアルプリンタなら可能であるが、１パスの連帳機では実施不可であるため、トランジスタや冷却装置等が大型化する問題を解消することができないといった問題があった。

特許文献２では、駆動素子のケース温度或いはフィン温度をモニタしていない。また、熱抵抗の記載はあるが、冷却については特に言及されていない。一般に、ジャンクションとケース間の熱抵抗はデータシートに記載があって明確であるが、ケースとエア間の熱抵抗はバラツキが大きいため、ジャンクション温度を正確にモニタできないことが従来からの課題である。

過熱エラーのしきい値が低く設定されると、高印刷DUTY時にトランジスタの温度が過熱エラーのしきい値に達してしまうので、ヘッド駆動回路として必要な印刷DUTYを満足しない場合がある。従って、所定の印刷DUTYを満足させるためには、トランジスタの大型化やトランジスタを冷却する放熱フィンや冷却用ファン等が大型化する問題があった。

本発明は、上記のような問題点に鑑みてなされたものであり、ライン走査型インクジェット式印刷装置のヘッド駆動回路のトランジスタの過熱検出を温度検出素子により行う場合において、トランジスタ電力損失の算出精度が向上するため、過熱エラーのしきい値のマージンが不要となり、冗長化によって生じるヘッド駆動回路のトランジスタとその冷却装置の大型化を防止することが可能なインクジェット式印刷装置およびインクジェット式印刷装置の過熱エラー検出方法を提供することを目的とする。

請求項１記載の発明は、液滴を吐出する複数のノズルを設けたインクジェット式のヘッドを有するインクジェット式印刷装置であって、すべてのノズルを滴量ｉ（ｉ＝１〜ｎ；ｉは異なるインク滴量を区別するための番号、ｎは任意の整数）で吐出した場合の電力損失データＰｉを、滴量ｉおよび周囲温度Ｔａ毎に、予め記憶している駆動波形別電力損失データテーブルと、前記ノズル毎に液滴吐出量を指示するドットデータから、各ノズルが吐出する滴量ｉを判別する滴量判別部と、前記ヘッドの全ノズル数分の前記ドットデータから成る印字データから、滴量ｉで駆動されるノズル数を、滴量別に各々カウントする滴量別ノズル数カウント手段と、前記駆動素子が実装されている放熱フィンの温度を検出するフィン温度検出部と、周囲温度Ｔａを検出する周囲温度検出部と、前記駆動波形別電力損失データテーブルから求める駆動素子の電力損失Ｐｉと、前記滴量別ノズル数カウント手段から求めるヘッドの全ノズル数に占める滴量ｉのノズル数の割合αｉと、既知の最大ジャンクション温度Ｔｊ（max）と、ジャンクションから冷却フィンまでの間の熱抵抗Ｒ（ｊ−ｆ）と、前記周囲温度Ｔａとから、演算上のフィン温度の上昇値Ｔｃ（ｃａｌ）を求める制御部とを備え、
前記制御部は、前記フィン温度検出部から検出される温度と前記周囲温度検出部から検出される周囲温度Ｔａとの差分である、検出されたフィン温度の上昇値Ｔｃ（ｍｏｎ）が、前記制御部によって式１を用いて求められた、演算上のフィン温度の上昇値Ｔｃ（ｃａｌ）より高い場合に、前記駆動素子の過熱エラーと判断する、ことを特徴とするインクジェット式印刷装置である。
Ｔｃ（ｃａｌ）＝Ｔｊ（max）−[[ΣＰｉ×αｉ]×Ｒ(ｊ−ｆ) + Ｔａ]・・・（式１）
ここで、Σ(Ｐｉ×αｉ)は、インク滴量ｉの電力損失とインク滴量ｉのノズルの駆動ＤＵＴＹαとを乗算し、乗算した値をすべてのインク滴量について加算した総和。

請求項５記載の発明は、液滴を吐出する複数のノズルを設けたインクジェット式のヘッドと、すべてのノズルを滴量ｉ（ｉ＝１〜ｎ；ｉは異なるインク滴量を区別するための番号、ｎは任意の整数）で吐出した場合の電力損失データＰｉを、滴量ｉおよび周囲温度Ｔａ毎に、予め記憶している駆動波形別電力損失データテーブルと、前記ノズル毎に液滴吐出量を指示するドットデータから、各ノズルが吐出する滴量ｉを判別する滴量判別部と、前記ヘッドの全ノズル数分の前記ドットデータから成る印字データから、滴量ｉで駆動されるノズル数を、滴量別に各々カウントする滴量別ノズル数カウント手段と、前記駆動素子が実装されている放熱フィンの温度を検出するフィン温度検出部と、周囲温度Ｔａを検出する周囲温度検出部と、制御部と、を備えたインクジェット式印刷装置における加熱エラー検出方法であり、前記駆動波形別電力損失データテーブルから求める駆動素子の電力損失Ｐｉと、前記滴量別ノズル数カウント手段から求めるヘッドの全ノズル数に占める滴量ｉのノズル数の割合αｉと、既知の最大ジャンクション温度Ｔｊ（max）と、ジャンクションから冷却フィンまでの間の熱抵抗Ｒ（ｊ−ｆ）と、前記周囲温度Ｔａとから、下記式２を用いて演算上のフィン温度の上昇値Ｔｃ（ｃａｌ）を求めるステップと、前記フィン温度検出部から検出される温度と前記周囲温度検出部から検出される周囲温度Ｔａとの差分である、検出されたフィン温度の上昇値Ｔｃ（ｍｏｎ）を求めるステップと、前記検出されたフィン温度の上昇値Ｔｃ（ｍｏｎ）が前記演算上のフィン温度の上昇値Ｔｃ（ｃａｌ）より高い場合に、前記駆動素子の過熱エラーと判断するステップと、を有することを特徴とする、加熱エラー検出方法である。
Ｔｃ（ｃａｌ）＝Ｔｊ（max）−[[ΣＰｉ×αｉ]×Ｒ(ｊ−ｆ) + Ｔａ]
・・・（式２）
ここで、Σ(Ｐｉ×αｉ)は、インク滴量ｉの電力損失とインク滴量ｉのノズルの駆動ＤＵＴＹαとを乗算し、乗算した値をすべてのインク滴量について加算した総和。

本発明は、周囲温度と滴量とをパラメータとして駆動波形別電力損失データテーブルから求める駆動素子の電力損失Ｐｉと、滴量別ノズル数カウント手段から求めるヘッドの全ノズル数に占める滴量別ノズル数の割合αｉと、既知の最大ジャンクション温度Ｔｊ（max）とジャンクションから冷却フィンまでの間の熱抵抗Ｒ（ｊ−ｆ）と、周囲温度Ｔａから式１を用いて演算フィン温度Ｔｃ（ｃａｌ）を求め、フィン温度検出部から検出される検出フィン温度Ｔｃ（mon）が演算フィン温度Ｔｃ（ｃａｌ）より高い場合に駆動素子の過熱エラーと判断することで、駆動素子や駆動素子を冷却する放熱フィンや冷却ファンの大型化を防止することができる。

本発明の実施形態に係るインクジェット式印刷装置に設けられたインクジェット吐出駆動回路の全体構成を示すブロック図である。 図１に示すライン走査型インクジェットヘッドを構成するヘッドの配列状態の一例を示す図である。 （ａ）は図１に示す圧電素子に印加する駆動波形の一例を示す図であり、（ｂ）は（ａ）に示すインク滴量と駆動パルス波形の関係を説明する図である。 図１に示すそれぞれのノズルからインク滴を吐出した場合における圧電素子からの放電電流と駆動波形の関係を示す図である。 図１に示す記憶手段に設けられた駆動波形別電力損失データテーブルを説明する図である。 図１に示すそれぞれのノズルから連続的にインク滴を吐出している状態における圧電素子からのPULL電流と駆動波形の関係を示す図である。 図１に示す複数のトランジスタが単一の放熱フィンに実装された場合の発熱源、熱抵抗を等価回路に置き換えたことを示す図である。 図１に示すトランジスタの過熱検出を行う過程を示したフローチャート図である。

以下、本発明の実施形態に係るインクジェット式印刷装置に設けられたインクジェット吐出駆動回路について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るインクジェット式印刷装置に設けられたインクジェット吐出駆動回路の全体構成を示すブロック図である。
なお、図１は説明を簡単にするためにノズル列を２列とした構成例である。ノズル列には複数の圧電素子が実装されている。通常、ノズル列内の圧電素子の数は、数百個程度から構成されるが、図１は記載を省略している。図１において、ヘッド１内の上段のノズル列には圧電素子１０a〜１０nが、下段のノズル列には２０ａ〜２０ｎが実装されている。アナログスイッチ１１ａ〜１１ｎ、２１ａ〜２１ｎは圧電素子と対になっている。

インク滴量の大きさは駆動波形を構成する複数のパルス波形から任意のパルス波形を部分選択することで、そのインク滴量を変更している。このアナログスイッチ１１、２１は任意の駆動パルス波形を選択するためのものであり、アナログスイッチのオン・オフは制御部７からの印字データによって行われる。印字データは、個々のノズルから吐出されるインク滴量を指示する吐出量情報に相当するドットデータがノズル列を構成する総ノズル数分のデータ群から成る。

ヘッド１内にはサーミスタ２が実装されており、周囲温度を検出する。この周囲温度に応じて駆動波形を切り替えることにより、インク粘度に変化が生じても吐出時のインク体積を一定にすることが可能となる。
なお、周囲温度を検出するサーミスタ２はヘッド１内に実装したが、実装位置はヘッド内に限定されるものではない。
電流増幅回路１２はトランジスタ８a〜８dで構成されるプッシュプル回路であり、一組のトランジスタ８a、８bにより接続された全ての圧電素子１０a〜１０nを駆動するようになっている。

駆動波形保存部４は温度別の駆動波形データが複数保存されており、サーミスタ２が出力する周囲温度に応じて選択され、駆動波形保存部４から出力された駆動波形データがＤ／Ａ変換器DAC５a〜５b（Digital Analog Converter)にてアナログの駆動波形に変換され駆動波形が生成され、増幅器６a〜６bにて電圧増幅された駆動波形がトランジスタ８a〜８dで電流増幅される。
トランジスタ８a〜８dは図示しない放熱フィンに実装されている。また、トランジスタ８a〜８dの過熱検出用のサーミスタ３が放熱フィン（図示せず）に同様に実装されている。サーミスタ３の出力は図示しないA/Dコンバータに入力されており、A/Dコンバータの出力データをリードすることによりサーミスタの温度を検出する。サーミスタ３は既に説明したように放熱フィンに実装されているので、トランジスタが実装されている放熱フィンの温度を検出可能である。

滴量別の駆動ノズル数カウント手段１３は、インク滴量毎にノズル列内で駆動されるノズル数をカウントし、駆動DUTYを算出する。滴量判別部１４は図示しない上位装置から転送されるドットデータからインク滴量を判別する。
制御部７はトランジスタの電力損失および過熱エラーのしきい値の演算、過熱エラーの判別、サーミスタ２とサーミスタ３からの温度データの読み出し等を行う。
記憶手段１６はメモリ等の素子から成り、電力損失データテーブルなどを予め記憶している。

なお、制御部７はFPGA（Field Programmable Gate Array）等で作成すると良い。
また、本実施形態では、単一のヘッドを駆動する複数のトランジスタとトランジスタの温度を検出する１個のサーミスタを単一の放熱フィンに実装した例を説明したが、放熱フィンに実装されるトランジスタ群は複数のヘッドを駆動するトランジスタ群としても良い。また、複数のサーミスタを所定の距離を隔てて実装しても良い。また、サーミスタの実装位置はジャンクションからケースまでの間の温度上昇の高い方のトランジスタ（例、PUSH側のトランジスタ）の近傍に実装すると良い。

図２は、ライン走査型インクジェットヘッドを構成するヘッドの配列状態の一例を示す図である。ヘッド１は用紙３１の幅方向に千鳥状に複数個が配置されており、最大用紙幅に対応する個数が実装される。図２は説明を簡単にするために一色分のヘッドの搭載個数を７個としている。これらの７個のヘッドをヘッドアレイ３２として纏めており、インク色（Y/M/C/K）分を備え、用紙搬送方向と直交する方向に複数のヘッドアレイ３２を実装した。

図３（ａ）は圧電素子に印加する駆動波形の一例を示す図であり、図３（ｂ）はインク滴量と駆動パルス波形の関係を説明する図である。
駆動パルス波形とインク滴量の関係を図３（ａ）、図３（ａ）にて説明する。
駆動波形ＶＣＯＭ４０は複数のパルス波形から構成されており、図３（ａ）は駆動周期Ｔ内にPULL1からPULL4のパルス波形で構成された例である。インクを吐出しない場合にノズル面の乾燥によるノズル詰まりを防止する方法として、ノズル面のメニスカスを微振動させてインクを攪拌する動作を行っており、これを微駆動と定義する。この微駆動はインクを吐出しないため通常のパルス波形より電圧振幅を小さくしたPULL1のパルス波形を使用する。

次に、小滴インクを吐出する場合はPULL2のパルス波形のみを使用してインクを吐出する。次に、中滴インクを吐出する場合はPULL2とPULL3のパルス波形を使用し、複数のインク滴を結合させることにより、所定のインク体積を得ている。同様に大滴インクの場合はPULL2からPULL4のパルス波形を使用し、複数のインク滴を結合させて所定のインク体積を得ている。

図４は、それぞれのノズルからインク滴を吐出した場合における圧電素子からの放電電流（以後、PULL電流と記載する）と駆動波形の関係を示す図である。
圧電素子に電圧を印加し、圧電素子の振動を利用してノズルからインク吐出を行うには、まず、圧電素子に徐々に電圧を印加して所定の電位（以後、中間電位と記載する）に保持する。中間電位から電荷を放電するPULLパルス波形（PULL1からPULL4）を与えることで、圧電素子はインクを吐出する方向に変形しノズルからインクの吐出を行っている。
図４は同一のノズル列内において、ノズル毎に異なったインク滴を吐出した場合の圧電素子からのPULL電流を示しており、このPULL電流は図１で説明したトランジスタ８b、８dに流れる。

ノズルNo.１は大滴インクを吐出する例であり、PULL2からPULL4のパルス波形でPULL電流が流れる。ノズルNo.２は中滴インクを吐出する例であり、PULL2とPULL3のパルス波形でPULL電流が流れる。ノズルNo.３は小滴インクを吐出する例であり、PULL2のパルス波形でPULL電流が流れる。ノズルNo.nは微駆動の例でありPULL1のパルス波形でPULL電流が流れる。
このように、各PULL電流（PULL1からPULL4）はノズルNo.1からノズルNo.nに流れるパルス波形電流を合計した電流となる。
なお、図４はPULL電流について説明したが、圧電素子に電荷を充電する充電電流（以後、PUSH電流と記載する）は、各PULLパルス波形の立ち上がり時に流れ、このPUSH電流は図１に示すトランジスタ８a、８cに流れる。

トランジスタの電力損失はコレクタ〜エミッタ端子間に印加された電圧(Vce)と電流（Ice)の積であるため、パルス波形毎に電力損失が生じる。
高速ライン走査型インクジェット印刷装置における駆動パルス幅（例、PULL1）は数μｓ程度である。各パルス波形単位でみたトランジスタの電力損失は大きいが、トランジスタのジャンクションからケースまでの熱抵抗であるRth(j-c)は時間により変化する特性であり、時間が短い場合は熱抵抗Rth(j-c)も小さくなる。具体的な例で説明すると、1.4us時における熱抵抗Rth(j-c)は0.008℃/W程度である。仮にパルス幅が1.4usで、この時のパルス電力損失を１００Ｗとした場合、ジャンクションからケース間の温度差は０．８℃(100W x 0.008℃/W)と非常に低くなるためパルス単位では正確なジャンクション温度が把握できない。従って、トランジスタの電力損失は上記パルス電力損失の合計を駆動周期Ｔで平均化した。

図５は駆動波形別電力損失データテーブルを説明する図である。
図５は駆動DUTY100%時のトランジスタの平均電力損失をインク滴量別と温度別にアドレスしてテーブル化した例である。ここで、駆動DUTY１００％とは、例えば、ノズル列として３００個のインク吐出が可能なノズルを有するとすれば、３００個のノズルからインク吐出を行う事である。駆動DUTY100%時の電力損失は実測により求めるが、実測値に対して圧電素子の容量等のばらつき分として所定の補正を加えても良い。

また、全ての温度に対する電力損失を実測せずに、主要な温度点における電力損失から換算により、求めても良い。
本電力損失テーブル５０は制御部７（図１）内の記憶手段１６に保存しておき、トランジスタの電力損失の演算時に参照する。なお、本駆動波形別電力損失データテーブルはインク種やその他の吐出液体に応じて複数のテーブルを準備し、適宜切り替えても良い。

図６はそれぞれのノズルから連続的にインク滴を吐出している状態における圧電素子からのPULL電流と駆動波形の関係を示す図である。
駆動波形ＶＣＯＭ４０は吐出周期に準じて、時間T1、時間T2、時間T3と連続的に出力しており、圧電素子からのPULL電流はドットデータに基づいたインク滴量に準じた電流となっている。
トランジスタの過熱検出は定期的な周期でチェックしており、図６に示すTchkタイミングで過熱検出を行った場合、インク吐出が直前に行われた時間T2において算出された駆動DUTYを、電力損失を演算するパラメータとして使用する。

具体的には、滴量判別部１４（図１）にて印字データからインク滴量別にドットデータを判別し、判別したインク滴量における駆動ノズル数をカウントする。そして、カウントした駆動ノズル数をノズル列の総ノズルで除算することで、駆動DUTYを算出する。例えば、大滴のインク滴量における駆動ノズル数が５０でノズル列の総ノズル数が１００の場合、駆動DUTYαは０．５（５０/１００＝０．５）となる。
このように、インク吐出が直前に行われた時間Ｔ2の駆動波形における駆動DUTYを使用することにより、トランジスタの過熱検出を行うタイミングに最も近い駆動DUTYを使用することができる。なお、駆動DUTYの算出期間は時間Ｔ２に限定されるものではなく、例えば、時間Ｔ２から時間Ｔ３までの期間における駆動DUTYを利用しても良い。

次にノズル列単位のトランジスタの電力損失について説明する。
複数のPULLパルス波形からなる駆動波形で生じるパルス電力損失は駆動波形ＶＣＯＭ４０と駆動ノズル数（駆動DUTY）に依存する。更に複数のインク滴量を持つため、インク滴量毎にノズル列の電力損失を求める必要がある。インク滴量毎の電力損失は、ノズル列の全ノズルを同じ滴量で吐出した時に生じるトランジスタ電力損失（DUTY100%時の電力損失）と、インク滴量毎の駆動DUTYとを乗算することでインク滴量毎の電力損失が算出できる。

更に、それらインク滴量毎の電力損失を全て加算することで、トランジスタの総電力損失をノズル列単位で算出可能となる。具体的には、大滴の電力損失と中滴の電力損失と小滴の電力損失と微駆動の電力損失を加算する。
以上より、ノズル列単位のトランジスタの総電力損失は、
(DUTY100%時の大滴電力損失x DUTY) + (DUTY100%の中滴電力損失x DUTY) + (DUTY100%時の小滴電力損失x DUTY) + (DUTY100%時の微駆動電力損失x DUTY)
となる。

図７は、複数のトランジスタが単一の放熱フィンに実装された場合の発熱源、熱抵抗を等価回路に置き換えたことを示す図である。Tjはトランジスタのジャンクション温度、Tc は トランジスタのケース温度、Tf は フィン温度、ΔTj-f は ジャンクション〜フィン間の温度上昇値、ΔTf-a は フィン〜周囲温度間の温度上昇値、Ta は 周囲温度、Rth(j-c) は ジャンクション〜ケース間の熱抵抗、Rth(c-f) はケース〜フィン間の熱抵抗、Rfa' は 強制空冷時のフィン熱抵抗である。
ΔTj-fとΔTf-aは、この２点間に与えられた電力損失と熱抵抗の積である。従って、トランジスタのジャンクション温度Tjは式２で算出できる。
Tj= ΔTj-f + ΔTf-a + Ta ・・・（式２）

トランジスタの過熱を検出するサーミスタは、放熱フィンに実装されているので、放熱フィンの温度上昇値（ΔTf-a）は、
ΔTf-a = Tj −(ΔTj-f ＋ Ta)・・・（式３）
となる。
ここで、ジャンクション温度Tjは、所定値にディレーティングした１２０℃と設定する（例 150℃ x 0.8 = 120℃)。
このため、トランジスタの過熱エラー検出点であるフィン温度上昇値Ｔｃ（ｃａｌ）を演算する式は、
フィン温度上昇値Ｔｃ（ｃａｌ）＝ 120 -[（[ΣＰixαi] x〔Rth(j-c)+ Rth(c-f)〕）+ Ta ]
・・・（式４）
となる。

ここで、Ｐは駆動波形別電力損失データテーブル５０（図５）から取得するインク滴量別の電力損失、αは図６で説明したインク滴量別の駆動DUTY、[ΣＰixαi]は、インク滴量別の電力損失Ｐと、インク滴量別の駆動DUTYα（図６）を乗算し、それらを全て加算した総和、Ｔａはサーミスタ２（図１）で検出した周囲温度である。
なお、熱抵抗Rth(j-c)はトランジスタのパッケージサイズで、熱抵抗Rth(c-f)は絶縁シート等で決まる既知の値である。

図８は、トランジスタの過熱検出を行う過程を示したフローチャート図である。図１、図５、図６を参照して、インクジェット式印刷装置の動作について説明する。制御部７（図１）は所定間隔で上位装置（図示せず）からのコマンド受信検出や各種の障害検出を行っている。
以下、この処理ルーチンの中で行われる過熱検出処理の詳細について説明する。
ヘッドを駆動する駆動波形は、サーミスタ２が出力する周囲温度に応じて駆動波形保存部４（図１）から選択しているため、制御部７は、始めにサーミスタ２（図１）から周囲温度Taを取得する（ステップＳ１）。

次に、制御部７は、ステップＳ１で取得した周囲温度Taに該当するトランジスタ電力損失をインク滴量別に駆動波形別電力損失テーブル５０（図５）から取得する（ステップＳ２）。
次に、制御部７は、滴量別の駆動ノズル数カウント手段１３（図１）から求めた駆動ＤＵＴＹ αをインク滴量別毎に取得する（ステップＳ３）。
次に、制御部７は、ステップＳ１で取得した周囲温度Taと、ステップＳ２で取得したインク滴量別の電力損失Ｐと、ステップＳ３で取得したインク滴量別の駆動ＤＵＴＹα、既知のジャンクション〜フィン間の熱抵抗Rth(j-c) + Rth(c-f) を式４（図７）にて演算してフィン温度Tc(cal)を算出する（ステップＳ４）。

次に、制御部７は、サーミスタ３（図１）から検出フィン温度Tc(mon)を取得する（ステップＳ５）。 なお、検出フィン温度Tc(mon)はサーミスタの温度から周囲温度Taを減算した温度上昇値（ΔTf-a）とした。
次に、制御部７は、ステップＳ４で演算したフィン温度の上昇値Tc(cal)とステップＳ５で取得した検出フィン温度の上昇値Tc(mon)とを比較する（ステップＳ６）。
もし、フィン温度の上昇値Tc(cal)より検出フィン温度の上昇値Tc(mon)が高い場合は、制御部７は、過熱エラーの報告、或いは印刷動作の一時中断、或いは印刷処理速度の低下等のエラー処理を行う（ステップＳ７、ステップＳ８）。
もし、フィン温度の上昇値Tc(cal)より検出フィン温度の上昇値Tc(mon)が低い場合は、本処理を終了する。

以上説明したように、制御部７は、トランジスタの電力損失を周囲温度Taとインク滴量別の電力損失Ｐとインク滴量別の駆動DUTY αとによる演算で算出するので、トランジスタ電力損失の算出精度が向上する。その結果、過熱エラーのしきい値に相当するフィン温度Tc(cal)にマージンが不要となり、加熱エラーのしきい値が高く設定できる。従って、所定の駆動DUTYを満足させるために必要であったトランジスタや冷却装置の大型化が不要となる。

＜他の実施形態＞
フィン温度Tc(cal)を決定するための他の実施形態として、上記ステップＳ１で取得する周囲温度Taと、ステップＳ２で取得するインク滴量別の電力損失Ｐと、インク滴量別の駆動ＤＵＴＹ αを使用せず、駆動波形別電力損失テーブル５０の中から最大の電力損失を取得して、この値からフィン温度Tc(cal)を算出しても良い。要するにインク滴量や周囲温度によらず、駆動ＤＵＴＹαが１００％の場合における最大の電力損失を使用する。
また、少なくとも２個以上のサーミスタ３から検出した放熱フィン温度Tc(mon)とフィン温度Tc(cal)とを比較しても良い。これにより、駆動するヘッドやノズル列に偏りがあった場合でも、複数のサーミスタ３によりフィン温度が監視できるため、単一のサーミスタの場合に設けていた過熱エラーのしきい値にマージンが不要となる。

本発明の実施形態では、フィンの温度、周囲温度、コレクタ損失がモニタ（把握）できるように構成しているため、トランジスタのジャンクション温度の予測検知を可能にしている。
本発明の実施形態では、強制冷却によってケースとエア間の熱抵抗を絶対的に小さくすることでバラツキを抑え、更にケース温度をモニタすることでケースとエア間の熱抵抗バラツキを極力回避して、消費電力とジャンクション-ケース間熱抵抗から求めるジャンクション温度を精度良くかつ実用的な検出を提供することができる。

本発明の実施形態では、センサを使用して温度をモニタしているが、本発明は素子内部を直接モニタしていない。本発明の実施形態では、汎用部品を使用してコストを抑えて、直接測定が不可能であるジャンクション温度を高い精度でモニタする手段・方法を提供することを特徴としている。従って、本発明の実施形態では、ジャンクション温度を間接的に精度高くモニタすることを特徴とする。

１ ヘッド
２ サーミスタ
３ サーミスタ
４ 駆動波形保存部
５a〜５b ＤＡＣ
６a〜６b 増幅器
７ 制御部
８a〜８d トランジスタ
１０ａ〜１０ｎ 圧電素子
１１，２１ アナログスイッチ
１２ 電流増幅回路
１３ 駆動ノズル数カウント手段
１４ 滴量判別部
１６ 記憶手段
２０ａ〜２０ｎ 圧電素子
３１ 用紙
３２ ヘッドアレイ
４０ 駆動波形ＶＣＯＭ

特開２００４−９０５０２号公報 特開平１０−３３７８９１号公報 特開２００１−２０５７９６号公報

Claims (7)

1. 液滴を吐出する複数のノズルを設けたインクジェット式のヘッドを有するインクジェット式印刷装置であって、
   すべてのノズルを滴量ｉ（ｉ＝１〜ｎ；ｉは異なるインク滴量を区別するための番号、ｎは任意の整数）で吐出した場合の電力損失データＰｉを、滴量ｉおよび周囲温度Ｔａ毎に、予め記憶している駆動波形別電力損失データテーブルと、
   前記ノズル毎に液滴吐出量を指示するドットデータから、各ノズルが吐出する滴量ｉを判別する滴量判別部と、
   前記ヘッドの全ノズル数分の前記ドットデータから成る印字データから、滴量ｉで駆動されるノズル数を、滴量別に各々カウントする滴量別ノズル数カウント手段と、
   前記駆動素子が実装されている放熱フィンの温度を検出するフィン温度検出部と、
   周囲温度Ｔａを検出する周囲温度検出部と、
   前記駆動波形別電力損失データテーブルから求める駆動素子の電力損失Ｐｉと、前記滴量別ノズル数カウント手段から求めるヘッドの全ノズル数に占める滴量ｉのノズル数の割合αｉと、既知の最大ジャンクション温度Ｔｊ（max）と、ジャンクションから冷却フィンまでの間の熱抵抗Ｒ（ｊ−ｆ）と、前記周囲温度Ｔａとから、演算上のフィン温度の上昇値Ｔｃ（ｃａｌ）を求める制御部とを備え、
   前記制御部は、前記フィン温度検出部から検出される温度と前記周囲温度検出部から検出される周囲温度Ｔａとの差分である、検出されたフィン温度の上昇値Ｔｃ（ｍｏｎ）が、前記制御部によって式１を用いて求められた、演算上のフィン温度の上昇値Ｔｃ（ｃａｌ）より高い場合に、前記駆動素子の過熱エラーと判断する、ことを特徴とするインクジェット式印刷装置。
   Ｔｃ（ｃａｌ）＝Ｔｊ（max）−[[ΣＰｉ×αｉ]×Ｒ(ｊ−ｆ) + Ｔａ]・・・（式１）
   ここで、Σ(Ｐｉ×αｉ)は、インク滴量ｉの電力損失とインク滴量ｉのノズルの駆動ＤＵＴＹαとを乗算し、乗算した値をすべてのインク滴量について加算した総和。
2. 複数のヘッドを駆動する駆動素子群を１つの放熱フィン上に実装することを特徴とする請求項１記載のインクジェット式印刷装置。
3. 単一のヘッドを駆動する駆動素子群を１つの放熱フィン上に実装することを特徴とする請求項１記載のインクジェット式印刷装置。
4. 前記フィン温度検出部は、少なくとも２個以上を所定の距離を隔てて放熱フィン上に実装することを特徴とする請求項２記載のインクジェット式印刷装置。
5. 液滴を吐出する複数のノズルを設けたインクジェット式のヘッドと、
   すべてのノズルを滴量ｉ（ｉ＝１〜ｎ；ｉは異なるインク滴量を区別するための番号、ｎは任意の整数）で吐出した場合の電力損失データＰｉを、滴量ｉおよび周囲温度Ｔａ毎に、予め記憶している駆動波形別電力損失データテーブルと、
   前記ノズル毎に液滴吐出量を指示するドットデータから、各ノズルが吐出する滴量ｉを判別する滴量判別部と、
   前記ヘッドの全ノズル数分の前記ドットデータから成る印字データから、滴量ｉで駆動されるノズル数を、滴量別に各々カウントする滴量別ノズル数カウント手段と、
   前記駆動素子が実装されている放熱フィンの温度を検出するフィン温度検出部と、
   周囲温度Ｔａを検出する周囲温度検出部と、
   制御部と、
   を備えたインクジェット式印刷装置における加熱エラー検出方法であり、
   前記駆動波形別電力損失データテーブルから求める駆動素子の電力損失Ｐｉと、前記滴量別ノズル数カウント手段から求めるヘッドの全ノズル数に占める滴量ｉのノズル数の割合αｉと、既知の最大ジャンクション温度Ｔｊ（max）と、ジャンクションから冷却フィンまでの間の熱抵抗Ｒ（ｊ−ｆ）と、前記周囲温度Ｔａとから、下記式２を用いて演算上のフィン温度の上昇値Ｔｃ（ｃａｌ）を求めるステップと、
   前記フィン温度検出部から検出される温度と前記周囲温度検出部から検出される周囲温度Ｔａとの差分である、検出されたフィン温度の上昇値Ｔｃ（ｍｏｎ）を求めるステップと、
   前記検出されたフィン温度の上昇値Ｔｃ（ｍｏｎ）が前記演算上のフィン温度の上昇値Ｔｃ（ｃａｌ）より高い場合に、前記駆動素子の過熱エラーと判断するステップと、
   を有することを特徴とする、加熱エラー検出方法。
   Ｔｃ（ｃａｌ）＝Ｔｊ（max）−[[ΣＰｉ×αｉ]×Ｒ(ｊ−ｆ) + Ｔａ]
   ・・・（式２）
   ここで、Σ(Ｐｉ×αｉ)は、インク滴量ｉの電力損失とインク滴量ｉのノズルの駆動ＤＵＴＹαとを乗算し、乗算した値をすべてのインク滴量について加算した総和。
6. 複数のフィン温度検出部が所定の距離を隔てて放熱フィン上に実装され、
   前記制御部は、
   いずれか１つのフィン温度検出部が検出する検出フィン温度が演算フィン温度より高い時に駆動素子の過熱エラーと判断するステップを有することを特徴とする請求項５記載のインクジェット式印刷装置の過熱エラー検出方法。
7. 前記制御部は、
   前記周囲温度Ｔａと滴量と駆動波形別電力損失データテーブルから求める駆動素子の電力損失Ｐｉの中の最大値とノズル数の割合αｉ＝100%から求めた１つの演算フィン温度により過熱エラーを判断するステップを有することを特徴とする請求項５記載のインクジェット式印刷装置の過熱エラー検出方法。

Images