JP2001191531A - 印刷ヘッド、印刷ヘッド駆動方法、印刷装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電源電圧の変動，吐出ノズル数の変動にかか
わらず、単位ノズル当たりに供給するエネルギを安定化
でき、多ノズルを使用しても正しくインクを吐出する印
刷ヘッド，印刷ヘッド駆動方法，印刷装置を提供する。 【解決手段】 各ノズルに熱エネルギを供給する抵抗Ｒ
１……Ｆｎの各々に、定電流源であるトランジスタＴｒ
１４……Ｔｒ（ｎ＋１３）より電流供給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電気・熱変換方式
のインクジェットプリンタのヘッド駆動に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】電気・熱変換方式のインクジェットプリ
ンタ（いわゆるＢＪプリンタ）の印刷ヘッドは、半導体
プロセスで構成できるため、ノズルを高密度に実装でき
ることが特徴である。そこで、近年、プリンタの印刷速
度を上げるため、印刷ヘッドの多ノズル化がなされてい
る。

【０００３】ところが、ＢＪプリンタの印刷ヘッドは、
熱によってインクを吐出するため、１ノズル当たりの消
費電流が多く、多ノズル化した場合、同時に多くのノズ
ルを使用すると、ヘッドへの印加電圧が低下して正しく
インクが吐出されないという問題があった。

【０００４】逆に、多ノズルを使用しても正しくインク
を吐出するように設定すると、１ノズルしか使用しない
場合は、エネルギを印加しすぎて、ヘッド（ノズル）の
寿命を縮めるという問題があった。

【０００５】従来の駆動回路の概略構成を図４に示す。

【０００６】ヘッドへ供給するための電源１の出力（電
圧ＶＨ０）は、配線による抵抗ｒによって電圧降下し、
電圧ＶＨと成ってヘッド２に印加される。

【０００７】ヘッド２では、各ノズルに対応したヒータ
抵抗Ｒ１，Ｒ２，……Ｒｎは、各々ヒータ抵抗をスイッ
チするためのトランジスタＱ１，Ｑ２，……Ｑｎに依っ
て選択的に、ＧＮＤに接続され、各ヒータ抵抗に電流が
流れ、各ノズルに気泡を発生させインクを吐出する。こ
こで、各トランジスタＱ１，Ｑ２，……Ｑｎは、図示し
ない制御回路からのＯＮ／ＯＦＦ信号 Ｈｓｗ１，Ｈｓ
ｗ２，……Ｈｓｗｎに依ってＯＮ／ＯＦＦ制御されてい
る。

【０００８】トランジスタがＯＮされた時のヒータ抵抗
でのエネルギを簡単に計算する。

【０００９】一例として、トランジスタＱ１がＯＮした
時を想定し、簡単のため、トランジスタＱ１のＯＮ抵抗
を無視すると、等価回路は、図４（ｂ）のように成る。
この時の抵抗Ｒ１でのヘッド電圧ＶＨ、抵抗Ｒ１での電
流Ｉ１および消費エネルギＥ１は、簡単な計算の結果、 ＶＧ＝（Ｒ１／（Ｒ１＋ｒ））×ＶＨ０ Ｉ１＝ＶＨ０／（Ｒ１＋ｒ） Ｅ１＝Ｒ１×（Ｉ１）＾２ ＝（Ｒ１／（Ｒ１＋ｒ）＾２）×（ＶＨ０）＾２ となる。

【００１０】従って、抵抗Ｒ１とｒとの関係で、配線抵
抗ｒの影響を受けやすい。

【００１１】また、電源電圧（ＶＨ０）の変動は、二乗
で影響をを受ける。

【００１２】又、複数（ｎ）のヒータ抵抗がＯＮした場
合の抵抗Ｒ１での消費エネルギＥ１ｎは、ヘッド電圧を
ＶＨｎ、抵抗Ｒ１での電流Ｉ１ｎ、Ｒ１〜Ｒｎまでの並
列抵抗をＲ１ｎとすると、 ＶＨｎ＝（Ｒ１ｎ／（Ｒ１ｎ＋ｒ））×ＶＨ０ Ｉ１ｎ＝（Ｒ１ｎ／（（Ｒ１ｎ＋ｒ）×Ｒ１））×ＶＨ０ Ｅ１ｎ＝Ｒ１×（Ｉ１ｎ）＾２ ＝（１／Ｒ１）×（Ｒ１ｎ／Ｒ１ｎ＋ｒ））＾２×ＶＨＯ＾２ となり、負荷変動によってもエネルギが変動していた。

【００１３】そのため、従来は、インクの吐出ノズル数
に応じて、ノズルに流す電流の時間を制御することによ
り、エネルギを補正をすると言う手法が取られていた。

【００１４】しかし、この手法では、ヘッドに印加され
ている電圧変動（ばらつき等）やヘッドへ至る経路での
配線抵抗による電圧降下のばらつきの影響を受けやす
く、安定性に欠けるという問題が有った。

【００１５】また、吐出ノズル数（実際に使用するノズ
ル数）を印刷する画柄に応じて制御する必要上、吐出ノ
ズルを数えるための回路が必要になり、トータルの回路
規模が大きく成ると言う問題も有った。

【００１６】本発明は、このような状況のもとでなされ
たもので、電源電圧の変動，吐出ノズル数の変動にかか
わらず、単位ノズル当りに供給するエネルギを安定化で
き、多ノズルを使用しても正しくインクを吐出する印刷
ヘッド，印刷ヘッド駆動方法，印刷装置を提供すること
を目的とするものである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明では、印刷ヘッドを次の（１），（２），
（３）のとおりに構成し、印刷ヘッド駆動方法を次の
（４）のとおりに構成し、印刷装置を次の（５）のとお
りに構成する。

【００１８】（１）複数のノズルと、この複数のノズル
の各々に個別に熱エネルギを供給する複数の電気・熱変
換素子と、この複数の電気・熱変換素子の各々に個別に
電流を供給する複数の定電流源と、この複数の定電流源
の各々から前記複数の電気・熱変換素子の各々への電流
供給をオン，オフする複数のスイッチ手段とを備えた印
刷ヘッド。

【００１９】（２）前記（１）記載の印刷ヘッドにおい
て、前記複数の電気・熱変換手段に供給される電流を検
出する電流検出手段と、この電流検出手段で検出した電
流に応じて前記複数の定電流源の供給電流を制御する制
御手段とを備えた印刷ヘッド。

【００２０】（３）前記（１）または（２）記載の印刷
ヘッドにおいて、前記複数の定電流源の基準電流を制御
する基準電流制御手段を備えた印刷ヘッド。

【００２１】（４）複数のノズルと、この複数のノズル
の各々に個別に熱エネルギを供給する複数の電気・熱変
換素子を備えた印刷ヘッドにおける駆動方法であって、
前記複数の電気・熱変換素子の各々に個別に、定電流源
から電流を供給する印刷ヘッド駆動方法。

【００２２】（５）前記（１）〜（３）のいずれかに記
載の印刷ヘッドを備えた印刷装置。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施の形態をインク
ジェットプリンタ用印刷ヘッドの実施例により詳しく説
明する。

【００２４】

【実施例】図１は、実施例である“インクジェットプリ
ンタ用印刷ヘッド”の回路図で有る。

【００２５】図１では、回路上の記号を図４と区別する
ため、新たに付加した抵抗は小文字のｒにサフィックス
を付加し、トランジスタはＴｒにサフィックスを付加し
た記号で記載した。ヒータ抵抗への電力供給用電源ＶＨ
とは別に、安定した電源ＶＤは、抵抗ｒ１を経由してダ
イオード接続されているトランジスタＴｒ１（ＮＰＮ
型）のコレクタ，ベース端子へ至る。トランジスタＴｒ
１のエミッタは、ＧＮＤに接続されている。トランジス
タＴｒ１とカレントミラーを構成しているトランジスタ
Ｔｒ２（ＮＰＮ型）のコレクタは、ダイオード接続され
ているＰＮＰトランジスタＴｒ３，Ｔｒ４を経由して、
電力供給用電源ＶＨに接続されている。トラジスタＴｒ
３のベース，コレクタ端子は、トランジスタＴｒ４，Ｔ
ｒ３とカレントミラーを構成しているトランジスタＴｒ
６，Ｔｒ５のペアのトランジスタのＴｒ５のベース端子
に接続されている。トランジスタＴｒ５のコレクタは、
ＧＮＤに接続されており、ダイオード接続されているト
ランジスタＴｒ６のベース，コレクタ端子は、トランジ
スタＴｒ７のベースに接続されており、トランジスタＴ
ｒ６とＴｒ７でカレントミラーを構成している。トラン
ジスタＴｒ７のコレクタは、抵抗ｒ３を経由してＧＮＤ
に接続されていて、カレントミラーで得られる電流（ト
ランジスタＴｒ６に流れる電流）を電圧に変換してい
る。

【００２６】また、トランジスタＴｒ８はトランジスタ
Ｔｒ１とカレントミラーを構成しており、コレクタは、
ダイオード接続されているトランジスタＴｒ９を経由し
て電源ＶＨに接続されている。さらに、トランジスタＴ
ｒ９とペアでカレントミラーを構成するトランジスタＴ
ｒ１０のコレクタは、抵抗ｒ２を経由してＧＮＤに接続
されており、トランジスタＴｒ１０，Ｔｒ９のカレント
ミラーに流れる電流、即ち、安定した電源から供給され
る抵抗ｒ１に流れる電流を電圧に変換して、比較基準電
圧として、トランジスタＴｒ１１に印加している。

【００２７】トランジスタＴｒ１１，Ｔｒ１２，Ｔｒ１
３は、差動ＡＭＰを構成し、トランジスタＴｒ１１とＴ
ｒ１２の各ベースに印加される電圧の差に応じて、トラ
ンジスタＴｒ１１のコレクタに流れ込む電流を制御して
いる。

【００２８】また、各ヒータ抵抗Ｒ１，Ｒ２，……Ｒｎ
は、各々定電流用トランジスタＴｒ１４，Ｔｒ１５……
Ｔｒ（ｎ＋１３）のコレクタに接続されており、各々の
定電流用トランジスタのエミッタは、電源ＶＨに接続さ
れている。また、各々の定電流用トランジスタＴｒ１４
〜Ｔｒ（ｎ＋１３）のベースは、トランジスタＴｒ５の
エミッタ即ちトランジスタＴｒ６のベース、コレクタ端
子に接続されている。

【００２９】動作について、簡単に説明する。各トラン
ジスタのベース電流が“０”と考えると、定電流用トラ
ンジスタＴｒ１４，Ｔｒ１５……Ｔｒ（ｎ＋１３）に流
れる電流は、トランジスタＴｒ６のベース，コレクタ端
子の電圧と、各定電流トランジスタのベースの電圧が同
じであるため、トランジスタＴｒ６，Ｔｒ５とＴｒ４，
Ｔｒ３で構成されるカレントミラー回路に流れる電流と
同じに成る。さらに、トランジスタＴｒ４，Ｔｒ３に流
れる電流は、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２で構成される
カレントミラー回路に流れる電流であるから、結局各定
電流用トランジスタＴｒ１４〜Ｔｒ（ｎ＋１）に流れる
電流は、電源ＶＤから抵抗ｒ１を経由して流れる電流と
同じ値となる。

【００３０】次に、各トランジスタのベース電流を考慮
した場合の説明を有する。各定電流用トランジスタＴｒ
１４〜Ｔｒ（ｎ＋１３）は、負荷電流が大きいため、ベ
ース電流もある程度流れ、さらに、各定電流用トランジ
スタＴｒ１４〜Ｔｒ（ｎ＋１３）に流れる電流は、ヒー
タオンオフ信号Ｈｓｗ１〜Ｈｓｗｎによってダイナミッ
クに変化する。この時、各定電流用トランジスタＴｒ１
４〜Ｔｒ（ｎ＋１３）のベースから流れる電流の総和
は、トランジスタＴｒ６のベース，コレクタ端子から流
れ込む電流と合計されて、トランジスタＴｒ５のエミッ
タに流れ込む。ところが、トランジスタＴｒ５のベース
電流は、カレントミラーの相手の電圧で制限されている
ため、トランジスタＴｒ５のエミッタに流れ込む電流の
総和はほとんど変化しない。従って、トランジスタＴｒ
５のエミッタに流れ込む各定電流用トランジスタＴｒ１
４〜Ｔｒ（ｎ＋１３）のベース電流が増加する（変動す
る）分だけ、トランジスタＴｒ６のベース，コレクタ端
子に流れる電流が減少（変動）する。

【００３１】このトランジスタＴｒ６の電流の減少（変
動）は、カレントミラーを構成しているトランジスタＴ
ｒ７を経由して電圧に変換される。即ち、トランジスタ
Ｔｒ６の電流の減少は、トランジスタＴｒ１２のベース
電圧の低下となり、従って差動ＡＭＰの相手側のトラン
ジスタＴｒ１１のコレクタに流れる電流の増加と成る。

【００３２】トランジスタＴｒ１１のコレクタに引き込
まれる電流は、トランジスタＴｒ５のベースを経由して
β倍されてトランジスタＴｒ５のエミッタ電流の増加と
なり、各定電流用トランジスタＴｒ１４〜Ｔｒ（ｎ＋１
３）のベース電流の増加を吸収するように働く。このよ
うにして、帰還回路が構成され、各定電流用トランジス
タ（各定電流源）は、安定した電流を各負荷（電気・熱
変換素子である抵抗Ｒ１〜Ｒｎ）に対して供給出来る。

【００３３】以上は、負荷変動に対する動作の簡単な説
明で有るが、電源電圧の変動（即ち、ＶＨの変動）につ
いては、元々、定電流構成で有るため、ＶＨ依存性が無
く、問題が無い。

【００３４】この様にして、電源電圧の変動に対して
も、負荷変動（吐出するノズル数の変化）に対しても、
単位負荷（各ノズル）に対して、安定したエネルギを供
給することが出来る。

【００３５】参考までに、本実施例の概略構成図に基づ
いて構成した或る定数による回路でのＳＰＩＣＥシミュ
レーション結果を図２，図３に示す。

【００３６】図２は、電源電圧変動（ＶＨの変動）につ
いてのＤＣ解析の結果である。図の横軸は、ＶＨの印加
電圧を表し、縦軸は負荷に流れる電流を表す。シミュレ
ーションを簡単にするため、シミュレーション回路とし
ては、負荷を１つ（抵抗Ｒ１）で構成した。また、トラ
ンジスタＱ１は、ＯＮ（ＯＮ抵抗＝“０”）を前提に、
シミュレーションした。シミュレーション結果に依る
と、図２から分かる様に、ＶＨの所望の電圧範囲（δ
Ｖ）に対する電流の変化（δＩ）は、Ａ点の電流を基準
にすると、 δＩ／Ｉ×１００≒１．３２（％） 程度となり、良好な結果が得られた。

【００３７】また、図３は、電源電圧ＶＨ固定で、トラ
ンジスタＱ１のＯＮ／ＯＦＦのダイナミックな特性と負
荷の増減のシミュレーションするために、負荷抵抗をパ
ラメータとして、１／１００まで変化（負荷が１００個
つながった場合を想定し）した場合の負荷抵抗に流れる
トランジェント解析のシミュレーション結果である。

【００３８】図３のグラフは、上段，下段共横軸は、時
間であり、上段の縦軸は電圧、下段の縦軸は電流を表
す、又、上段のグラフは、トランジスタＱ１〜Ｑｎをス
イッチするための電圧で、電圧が“Ｈｉ”の期間は、負
荷に電流を流すための信号の期間を表す。下段は、シミ
ュレーションの目的の負荷に流れる電流の波形を表す。
シミュレーション結果によると、負荷１個の時の電流
（Ｉ−１）と負荷１００個の時の電流（Ｉ−１００）と
の変化量（ΔＩ）は、Ｉ−１を基準にすると、 ΔＩ／Ｉ−１×１００≒５．５（％） となり、これも良好な結果が得られた。

【００３９】いずれも、電源変動，負荷変動にかかわら
ず負荷に流れる電流が安定していることが分かる。

【００４０】なお、前述のシミュレーション結果の数字
は、一回路定数での値であり、なんら限定するものでは
なく、あくまで、参考値である。

【００４１】また、別の効果として、負荷に流す電流
を、安定した電源ＶＤから抵抗ｒ１に流す電流で制御出
来るため、ヒータ抵抗のデフォルトでの全体ばらつき
を、ＶＤの電圧を変化させることに依って吸収（補正ま
たは、制御）出来る。

【００４２】さらに、積極的にこの特性を利用して、各
ヒータ抵抗に流す電流を制御する、即ちエネルギを制御
することによって、吐出インク量の微細な制御も可能と
なる。ちなみに、ＶＤの電圧を制御する場合は、出力電
圧の制御可能な可変電源に接続することは、言うまでも
ない。

【００４３】又、本実施例は、従来からの手法である、
ヒータ抵抗に電流を流す時間を制御する手法と併用して
も良い事は、言うまでもない。

【００４４】前述のように、本実施例に依れば、各ヒー
タ抵抗独立に、定電流源を設けると共に、負荷電流検出
回路を設けて負荷に流れる電流を一定にする定電流源制
御回路を少なくとも１個設け、該定電流源制御回路が対
応する前記複数の定電流源に流れる電流を制御するよう
に構成することによって、電源電圧の変動に依る単位ノ
ズルに対応するヒータ抵抗に流れる電流の変動の影響を
軽減すると共に、ノズルに印加される電流量の変動（即
ち、吐出ノズル数の変動）による単位ノズル当たりに流
れる電流量の変動を軽減する事が可能となる。

【００４５】即ち、電源電圧の変動、吐出ノズル数の変
動に関わらず、単位ノズル当たりに供給するエネルギを
安定させる事が出来る。

【００４６】さらに、ＢＪヘッドが半導体プロセスで構
成出来る事を利用し、同一半導体上に回路を構成した場
合、コスト的にも安く、また特性の揃った回路構成部品
が使用出来、安定した回路を構成できる。

【００４７】また、別の効果として、負荷に流す電流
を、安定した基準電圧ＶＤから基準抵抗に流す電流で制
御出来るため、負荷抵抗のデフォルトでの全体的なばら
つきを、基準電圧ＶＤの電圧を変化させる値ことによっ
て吸収（補正または、制御）できる。さらに、積極的に
この特性を利用して、各ヒータ抵抗に流す電流を制御す
る、即ち、エネルギを制御することによって、吐出イン
ク量の微細な制御も可能となる。

【００４８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
電源電圧の変動，吐出ノズル数の変動にかかわらず、単
位ノズル当たりに供給するエネルギを安定化でき、多ノ
ズルを使用しても正しくインクを吐出するようにでき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例の回路図

【図２】 電源電圧変動についてのＤＣ解析の結果を示
す図

【図３】 負荷変動についてのトランジェント解析の結
果を示す図

【図４】 従来の回路図

【符号の説明】

Ｑ１〜Ｑｎ トランジスタ Ｒ１〜Ｒｎ ヒータ抵抗 Ｔｒ１４〜Ｔｒ（ｎ＋１３） 定電流用トランジスタ ＶＤ 安定した電源

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数のノズルと、この複数のノズルの各
   々に個別に熱エネルギを供給する複数の電気・熱変換素
   子と、この複数の電気・熱変換素子の各々に個別に電流
   を供給する複数の定電流源と、この複数の定電流源の各
   々から前記複数の電気・熱変換素子の各々への電流供給
   をオン，オフする複数のスイッチ手段とを備えたことを
   特徴とする印刷ヘッド。
2. 【請求項２】 請求項１記載の印刷ヘッドにおいて、前
   記複数の電気・熱変換手段に供給される電流を検出する
   電流検出手段と、この電流検出手段で検出した電流に応
   じて前記複数の定電流源の供給電流を制御する制御手段
   とを備えたことを特徴とする印刷ヘッド。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載の印刷ヘッドにお
   いて、前記複数の定電流源の基準電流を制御する基準電
   流制御手段を備えたことを特徴とする印刷ヘッド。
4. 【請求項４】 複数のノズルと、この複数のノズルの各
   々に個別に熱エネルギを供給する複数の電気・熱変換素
   子を備えた印刷ヘッドにおける駆動方法であって、前記
   複数の電気・熱変換素子の各々に個別に、定電流源から
   電流を供給することを特徴とする印刷ヘッド駆動方法。
5. 【請求項５】 請求項１〜３のいずれかに記載の印刷ヘ
   ッドを備えたことを特徴とする印刷装置。