JP2009269180A - インクジェット記録ヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】 インク供給源を挟んで対向するノズル列同士の配列密度が異なるインクジェット記録ヘッドにおいて、各ノズルのヒータを配列密度に応じた最適な形状に近付ける。
【解決手段】 ヒータを駆動するスイッチ（MOSトランジスタ）のオン抵抗を配列密度の低い側よりも配列密度の高い側の方が高くなるようにする。それによって、配列密度の低い側のヒータにおいて、縦横アスペクト比を１に近付ける形状にすることができ、配列密度の高い側のヒータにおいて、縦横アスペクト比をノズル配列方向が極力短くなる形状にすることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ヒータをインク中で急過熱することによって、インクを吐出口から吐出させて記録媒体に付着させて記録を行うサーマル方式のインクジェット記録ヘッドに関する。

インクジェットプリンタは、記録ヘッドに備えられたノズルよりインク滴を吐出して、紙面に記録を行う。このプリンタにおいて、吐出インク滴のサイズは、より小さいほどより高階調、高精細な記録が可能であるが、一方でインク滴サイズを小さくするほど記録速度の低下を招く。

そのような二律背反の課題を解決するインクジェットプリンタ用の記録ヘッドとして、特許文献１に示すヘッドが知られており、そのノズル構成の一部を図6に示す。この記録ヘッドは、一つのインク供給源501から吐出量の異なるノズル列503a、503b、503cにインクが供給される。各ノズル列の吐出量および吐出口径は、503aが最も大きく、503b、503cはそれよりも小さい。このノズル構成によって、記録濃度の高い（印字密度の高い）印字を行う場合は、吐出量の大きい503aのノズルを主体的に用い、記録濃度の低い（印字密度の低い）印字を行う場合は、吐出量の小さい503b、503cのノズルを主体的に用いることができる。これにより、ハイライト部などの濃度の低い画像領域において粒状感のない高精細な印字ができ、かつベタ部などの濃度の高い画像領域において印字速度を低下させることがない。
特開2007-144711号公報

また、図6に示される記録ヘッドは、各ノズルにおいて、吐出口503の直下に吐出量に応じた大きさのヒータ（不図示）が備えられ、吐出量が大きいほどヒータサイズがより大きくなるように構成されている。そのため、ノズルの集積度を高め、ヘッドチップのサイズをより小さくするために、吐出量が相対的に小さく、ヒータサイズが小さくて済むノズル503b、503cをインク供給源501に対して同じ側に並べて配置する。一方で、吐出量が相対的に大きく、必要とするヒータサイズも大きくなるノズル列503aは、それらのノズルとはインク供給源501を挟んだ反対側の位置に半分の密度で配列される。

ここで、このような配列密度の異なるノズル列が混在する記録ヘッドにおいて、ノズル設計上下記のような課題・要求がある。

１．配列密度の高いノズル列（図6のノズル列503ｂ、503ｃ）において、ノズル設計の自由度が低い。すなわち、高密度配置するためにノズルやヒータの寸法に制約を受ける。特に、ヒータにおいてノズル配列方向の寸法に制約を受ける。それによってヒータサイズが制限されて、ノズル設置位置と吐出量の選択幅が狭くなるなどの制約を受ける。

２．配列密度の低いノズル列（図6のノズル列503a）においては寸法自由度が比較的高いため、インク吐出効率を考慮し、ヒータ形状を縦横比が１に近い（正方形に近い）形状が望ましい。

本発明は、上記２点の課題を解決するインクジェット記録ヘッドの構成を提案する。

上記課題を解決するため、本発明のインクジェット記録ヘッドは、
同一基板上に並列に配置された複数のノズル列を有し、
前記ノズル列は複数のノズルが一定方向に設置され、
前記ノズル内でヒータを急加熱することでインク中に発泡圧力を発生させて吐出口よりインクを吐出するインクジェット記録ヘッドであって、
前記ノズル列は第１のノズル列とそれよりもノズル配列密度の高い第２のノズル列を含み、
前記第１のノズル列は複数の第１の吐出口を備え、
前記第２のノズル列は複数の第２の吐出口を備え、
前記第１の吐出口に対応する第１のヒータと、
前記第２の吐出口に対応する第２のヒータとを有し、
前記第１のヒータに電気的に接続され、前記第１のヒータへの電気エネルギーON/OFFを切り替える第１のスイッチと、
前記第２のヒータに電気的に接続され、前記第２のヒータへの電気エネルギーON/OFFを切り替える第２のスイッチとを有し、
前記第１のスイッチの電気抵抗値が前記第２のスイッチの電気抵抗値と同等、もしくはそれより大きいことを特徴とする。

また、本発明のインクジェット記録ヘッドは、前記第１の吐出口は、前記第２の吐出口よりも相対的に体積の大きいインク滴を吐出することを特徴とする請求項１に記載のインクジェット記録ヘッドであり、
また、本発明のインクジェット記録ヘッドは、前記第１のスイッチの前記基板上における設置面積は、前記第２のスイッチの前記基板上における設置面積と同等、もしくはそれより小さいことを特徴とする。

また、本発明のインクジェット記録ヘッドは、前記第２のノズル列は、吐出量の異なる２種類のノズルを含み、
前記第２のノズル列に対応する前記第２の吐出口は開口面積が相対的に大きい大吐出口と、開口面積が相対的に小さい小吐出口の２種類から成り、
前記大吐出口と前記小吐出口は交互に千鳥状に配列し、
前記大吐出口に対応する大ヒータと、
前記小吐出口に対応する小ヒータとを有し、
前記大ヒータに電気的に接続され、前記大ヒータへの電気エネルギーON/OFFを切り替える大ヒータスイッチと、
前記第３のヒータに電気的に接続され、前記小ヒータへの電気エネルギーON/OFFを切り替える小ヒータスイッチとを有し
インク供給源から前記基板上に供給されたインクを前記大ヒータへ誘導する大インク供給路と、
前記基板上に供給されたインクを前記小ヒータに誘導する小インク供給路を有し、
前記大インク供給路が前記小インク供給路よりも短く、
前記大ヒータスイッチの電気抵抗値が前記小ヒータスイッチの電気抵抗値と同等、もしくはそれより小さいことを特徴とする。

また、本発明のインクジェット記録ヘッドは、前記大ヒータスイッチの前記基板上における設置面積は、前記小ヒータスイッチの前記基板上における設置面積と同等、もしくはそれよりも大きいことを特徴とする。

本発明で提案されるインクジェット記録ヘッドは、吐出ノズルを高密度に集積し、かつ描画性能、インク吐出効率に優れる。この記録ヘッドを用いることにより、コストアップすることなく、従来よりも高速かつ高画質な記録を実現することができる。

次に、本発明の詳細を実施例の記述に従って説明する。

これより、本発明の具体的な実施例について説明する。

図２は本発明のインクジェット記録ヘッドのノズルチップの一部を模式的に示す平面図で、ノズルの構成・インク流路の構造を示している。このノズルチップ3には、異なる量のインクを吐出する複数のノズル列303a、303b、303cが備えられており、記録濃度に応じて使用するノズル列を制御することによって、高速かつ高画質な印字を行うことができる。

ノズルチップ3には、インク供給源301の両側にノズル列が設置されたおり、片側はノズル300aが1/600インチの間隔で配列し、反対側側に、300aよりも吐出量の小さいノズル300bと300cが交互に配列されている。ノズルｂとcは1/1200インチの間隔で、ノズル300cはノズル300bよりもインク供給源301からの距離が遠い位置に設置される。すなわち、ノズル300cのインク供給路302bとノズルbの吐出口303cが隣接する。ここで、各ノズルの吐出量は、ノズル300aが約5pl、ノズル300bが約2pl、ノズル300cが約1plとした。このとき、300bはノズル300cよりも吐出量が大きく、インク供給速度をより高くすべきであるため、インク供給源301に近い側に配置した。

図１は、図2の各ノズルに対応する吐出エネルギー発生用のヒータと、ヒータを駆動する配線が構成された半導体基板の一部を示している。

304a、304b、304cはそれぞれノズル300a、300b、300cに対応するヒータである。各ノズルからのインクの吐出は、ノズル内のインクをヒータで急加熱してヒータ上に膜沸騰を発生させ、その発泡パワーによって行う。このとき、ヒータの加熱はヒータに瞬間的な電気エネルギーを印加することによって行われる。308a、308b、308cは各ヒータへ電気エネルギーを供給する配線で、電流印加方向はノズル配列方向に垂直な方向となっている。ヒータがヒータ304a、304b、304cへの電気エネルギーの印加/非印加（以下ON/OFFと記す）は、スイッチ307a、307b、307cによって切り替えられる。スイッチ307a、307b、307cは、MOSFETデバイスである。

電源電圧をVop、グランドをGNDとすると、ヒータの駆動回路は、図3のように表せる。各ヒータ304は所定の抵抗Rhを有し、ヒート信号生成回路400からヒート指示信号がスイッチ307に入力されることによってヒータが駆動される。ヒータ駆動時、スイッチ307a、307b、307c、と配線部分には、所定の抵抗値を有するため、実際にヒータに印加される電圧は、スイッチおよび配線抵抗による電圧降下分を除いた大きさになる。すなわち、ヒータ抵抗をRh、スイッチの抵抗をRt、配線抵抗をRｌヒータに印加される電圧をVhとすると、
（式1） Vh＝Vop*Rh/（Rh+Rt+Rl）
と表すことができる。この式より、ヒータ抵抗Rhに対して、スイッチ抵抗Rtおよび配線抵抗Rｌの割合が低いほど、ヒータ印加電圧Vhは大きくなり、ヒータ印加される電気エネルギーも大きくなる。

また、インク中に安定して膜沸騰を発生させるには、ヒータに印加する電気エネルギー密度（単位面積あたりの電気エネルギー量）をある一定以上の値にする必要がある。その電気エネルギー密度は、ヒータ印加電気エネルギーをEh、ヒータ面積をShとすると、Eh/Shと表せ、電気エネルギー印加時間をtとすると、Eh/ShとVh、Rhの関係は以下の（式2）ように表すことができる。

（式2） Eh/Sh＝（Vh^2/Rh）/Sh*t
（式1）、（式2）の関係式において、本実施形態では、電源電圧Vopとヒータのシート抵抗（ヒータ形状が正方形の場合の抵抗）は、全てのヒータについて共通とし、Vopは24V、ヒータシート抵抗は350Ω程度とした。また、配線抵抗は約22Ωとした。

ヒータ面積Shは、各ノズルによって異ならせ、インク吐出量、インク吐出速度そしてインク再供給性能を鑑みて決定した。その結果、図1において目標となるヒータの面積は、304aは583μm＾2、304bの面積は336μm＾2、304cの面積は282μm＾2と決定された。また、tはヒータ上での熱の伝達速度を考慮し、約0.8μsとし、Eth/Shは実験的に約1.5 ｎW/μm＾2と求められた。

ヒータ印加電圧Vhとヒータ抵抗Rhは、スイッチ抵抗Rtの値を変更することによって決定されるパラメータとなり、各ヒータ304a、304b、304cにおけるRhとRtの関係は、図4（a）、図4（b）、図4（c）に示すグラフのような関係となった。また、スイッチ抵抗Rtはスイッチの面積に応じて変化し、図1における、スイッチ長さLtとスイッチ幅Wtの積Lt×Wtが大きいほどスイッチ抵抗は低くなる。また、ヒータ抵抗Rhはヒータ形状の縦横比Lh/Whによって決定され、図1における、Rhが高いほどLh/Whが大きくなる。インク吐出性能面からヒータ面積Sh（=Lh*Wh）は前記した値のように求められているので、ヒータ304a、304b、304cのRhとLh/Whの関係は図5（a）、図5（b）、図5（c）に示すグラフのような関係になる。ここで、ヒータ形状は、縦横比が1に近いほど、インク吐出効率が高い（インク発泡に必要な投入エネルギーが低くて済む）。

図４に示す本実施例のノズル構成においては、配列密度の低いノズル300aに関しては、インク吐出効率を考慮して縦横アスペクト比をより１に近い形にし、縦横アスペクト比をより１に近い形にした。そして、配列密度の高いノズル300b、300cに関しては、ノズル配列方向のヒータ幅を小さくし、インク供給流路、吐出口設計の自由度を確保するようにした。すなわち、図1において、スイッチ307b、307cの設置面積は、設計範囲内で極力大きい面積となるようにノズル配列方向に隙間無く配置し、スイッチの抵抗を低くした。ここでは、スイッチ307b、スイッチ307cは同じサイズとし、LtbおよびLtcは210μm、WtbおよびWtcは21μmとした。また、ヒータ304aに対応するスイッチ307aの面積はスイッチ機能の信頼性が許容できる範囲内で極力小さくし、設置可能領域の一部に設置するようにした。ここでは、スイッチ機能の信頼性を考慮し、スイッチ307aはスイッチb、スイッチcと同じサイズにし、Ltaを210μm、Wtaを21μmにした。このようにして、ヒータ駆動時のそれぞれのスイッチの抵抗が、307aは約42Ω、307bは約35Ω、307cは約35Ωとなるようにした。また、各ヒータの形状は、（式1）より求められる。その結果を踏まえ、304aはヒータ長さLha：約25.8μm、ヒータ幅Wha：22.6 （縦横アスペクト比1.1）とした。304bはヒータ長さLhb：約12μm、ヒータ幅Whｂ：28μm （縦横アスペクト比2.3）とし、304cはヒータ長さLhb：約10μm、ヒータ幅Whｂ：28.2μm （縦横アスペクト比2.8）とした。

本発明のインクジェット記録ヘッドのヒータ駆動基板構成を模式的に示す平面図 本発明のインクジェット記録ヘッドのノズル構成を模式的に示す平面図 本発明のインクジェット記録ヘッドのヒータ駆動回路を示す等価回路図 本発明のインクジェット記録ヘッドのヒータ駆動基板におけるスイッチ抵抗とヒータ抵抗の関係を示すグラフ 本発明のインクジェット記録ヘッドのヒータ駆動基板におけるヒータ抵抗とヒータ形状の関係を示すグラフ 従来のインクジェット記録ヘッドのノズル構成を示す図

符号の説明

3 ノズルチップ
300 ノズル
300a 大ノズル（吐出量の最も大きいノズル）
300b 中ノズル（吐出量が２番目に大きいノズル）
300c 小ノズル（吐出量の最も小さいノズル）
301、501 インク供給源
302 インク供給路
303、503 吐出口
304 ヒータ
307 スイッチ
308 配線

Claims (5)

1. 同一基板上に並列に配置された複数のノズル列を有し、
   前記ノズル列は複数のノズルが一定方向に設置され、
   前記ノズル内でヒータを急加熱することでインク中に発泡圧力を発生させて吐出口よりインクを吐出するインクジェット記録ヘッドであって、
   前記ノズル列は第１のノズル列とそれよりもノズル配列密度の高い第２のノズル列を含み、
   前記第１のノズル列は複数の第１の吐出口を備え、
   前記第２のノズル列は複数の第２の吐出口を備え、
   前記第１の吐出口に対応する第１のヒータと、
   前記第２の吐出口に対応する第２のヒータとを有し、
   前記第１のヒータに電気的に接続され、前記第１のヒータへの電気エネルギーON/OFFを切り替える第１のスイッチと、
   前記第２のヒータに電気的に接続され、前記第２のヒータへの電気エネルギーON/OFFを切り替える第２のスイッチとを有し、
   前記第１のスイッチの電気抵抗値が前記第２のスイッチの電気抵抗値と同等、もしくはそれより大きいことを特徴とするインクジェット記録ヘッド。
2. 前記第１の吐出口は、前記第２の吐出口よりも相対的に体積の大きいインク滴を吐出することを特徴とする請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド。
3. 前記第１のスイッチの前記基板上における設置面積は、前記第２のスイッチの前記基板上における設置面積と同等、もしくはそれより小さいことを特徴とする請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド。
4. 前記第２のノズル列は、吐出量の異なる２種類のノズルを含み、
   前記第２のノズル列に対応する前記第２の吐出口は開口面積が相対的に大きい大吐出口と、開口面積が相対的に小さい小吐出口の２種類から成り、
   前記大吐出口と前記小吐出口は交互に千鳥状に配列し、
   前記大吐出口に対応する大ヒータと、
   前記小吐出口に対応する小ヒータとを有し、
   前記大ヒータに電気的に接続され、前記大ヒータへの電気エネルギーON/OFFを切り替える大ヒータスイッチと、
   前記第３のヒータに電気的に接続され、前記小ヒータへの電気エネルギーON/OFFを切り替える小ヒータスイッチとを有し
   インク供給源から前記基板上に供給されたインクを前記大ヒータへ誘導する大インク供給路と、
   前記基板上に供給されたインクを前記小ヒータに誘導する小インク供給路を有し、
   前記大インク供給路が前記小インク供給路よりも短く、
   前記大ヒータスイッチの電気抵抗値が前記小ヒータスイッチの電気抵抗値と同等、もしくはそれより小さいことを特徴とする請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド。
5. 前記大ヒータスイッチの前記基板上における設置面積は、前記小ヒータスイッチの前記基板上における設置面積と同等、もしくはそれよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド。

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