JP2007245614A - 記録ヘッドの製造方法、及び記録装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】記録ヘッドの製造歩留まりを向上させ、かつ記録ヘッドを搭載した記録装置の画質の安定性、信頼度を向上する。
【解決手段】ノズルのフェース面と記録媒体間の距離と記録媒体搬送速度とをテストパターンで任意に変更し、出力された記録画像濃度によって記録ヘッドの性能の良否を定量的に判定できるようにした。 又、記録ヘッドを搭載する記録装置においても、同様のテストパターンを実行できるようにして、記録ヘッドの性能劣化を定量的に判定出来るようにした。
【選択図】図9

Description

本発明は、インクジェット方式の記録ヘッドの製造方法、及びその記録ヘッドを用いる記録装置に関する。
複数のノズルから記録媒体にインクを吐出して画像を記録するインクジェット方式の記録装置が広く使用されている。
ノズルからインク滴を吐出させる1つの技術として、駆動パルスに応じた熱エネルギをノズル内のインクに供給して膜沸騰による気泡を形成させ、この気泡によってノズルからインク滴を吐出させる技術が知られている。
上記記録装置の中には、記録速度を向上させるために、多数のノズルを集積した記録ヘッドを記録媒体の搬送方向に直交させて高速に記録する所謂ラインプリンタがある。
この種のラインプリンタは高画質の画像を高速で形成することが出来、且つ非接触であるので、非常に安定した画像記録ができるという利点も有している。
一方で、使用するインクは液体であり、環境条件や経時的な変化によって粘性が随時変わっていく為に記録性能に大きな影響を及ぼすことがある。
また、ノズルから吐出するインク滴の特性として、主滴と副滴とに分離することが知られている。主滴は副滴よりも先にノズルのインク吐出口から離れ、続いて副滴がインク吐出口から離れる。
ラインプリンタの搬送速度(記録速度)が大きくなるに従い、ノズルから吐出した一つのインク滴の主滴が記録媒体に着弾する位置(着弾位置)と、副滴が記録媒体に着弾する着弾位置とのズレが次第に大きくなり、それらはサテライトと呼ばれ、画質に影響を与えるようになる。
さて、インクジェット方式の記録装置では使用する記録ヘッドの記録性能の良否を判定する方法の一つとして、記録媒体(用紙)に所定のテストパターンを記録し、主滴/副滴の並び方向とほぼ直交する方向のドット幅から主滴の径を求め、そのドットの主滴/サテライト並び方向の主滴側の端位置から主滴の半径の距離だけドット内側の位置を中心位置として測定するものが提案されている。
(例えば特許文献1)
特開2001−038891(3〜4頁、図1)
インクジェット方式の記録ヘッドでは、主滴−副滴の吐出速度差にはバラツキがあるため、とりわけラインプリンタでは記録速度(搬送速度)が大きいほど画質の劣化が顕在化し易い。
さらに上記の如く従来の方法の場合、基本的にはTVカメラ等の大掛かりな装置を使って、しかも最終的には良否選別を目視で判定することになり、多ノズルのラインヘッドでは選別時の手間隙が莫大となるばかりでなく、選別ミスによる記録装置の性能バラツキが大きくなりがちである。
そこで、記録ヘッド製造時の歩留まりを向上させ、かつ記録ヘッドを搭載した記録装置自体にも記録ヘッドの画質を定量的に判定できる手段をもつことにより、画質に対する安定性、信頼度の向上を目的とする。
上記目的を達成するための本発明では、吐出ノズルのフェース面と記録媒体間の距離(紙間Gap)と記録媒体搬送速度とをテストパターンで任意に変更し、出力された記録画像濃度によって記録ヘッドの性能の良否を定量的に判定できるようにした。
又、記録ヘッドを搭載する記録装置においても、同様のテストパターンを実行できるようにして、記録ヘッドの性能劣化を定量的に判定出来るようにした。
本発明の実施により多数のノズルを有するインクジェット方式のラインヘッドの製造時歩留まりを飛躍的に高め、且つ当該ラインヘッドを搭載する記録装置の記録速度向上と高画質化への見通しが高まる。
本発明を実施するための最良の形態に関して、図を用いて詳細に説明する。
<実施例1>
図1は、本発明による記録ヘッドを用いた記録装置の一例を示す正面図である。
記録装置100は、不図示のホストPC(パソコン)に接続され、記録命令や画像データを受信する。記録装置100には、4つ(4本)の記録ヘッド102、103、104、及び105が用紙(ここではロ−ル紙)Pの搬送方向に並んで配置されている。
4つの記録ヘッド102、103、104、及び105からはそれぞれブラック、シアン、マゼンタ、イエローの各色のインクが吐出される。インクは各々交換可能なインクカートリッジ106(ブラック)、107(シアン)、108(マゼンタ)、及びインクカートリッジ109(イエロー)から対応するサブタンク116、117、118、及び119を経由して各々の記録ヘッド102、103、104、及び105に供給される。稀釈液タンク307は各色のサブタンク106〜109に稀釈液を注入するものである。
記録ヘッド102、103、104、及び105は、所謂ラインヘッドであり、記録幅は図1の紙面奥行き方向に延びている。各記録ヘッドの最大記録幅は、用紙(以降ロール紙とも呼ぶ)Pの幅よりもやや広く設計される。記録動作中これらの記録ヘッドは記録位置で静止する。
記録ヘッド102、103、104、及び105の安定した記録性能を維持できるよう、各記録ヘッドに対応した回復ユニット(キャッピングユニット)112、113、114、及び115を具えている。
図1の回復ユニットは6色分が示されているが、このうち空き2色分は記録ヘッド追加時の予備的な機構である。回復ユニット112〜115は、周知のワイパブレード、キャップ等から構成されている。
ロ−ル紙Pに画像を形成する際には、搬送中のロ−ル紙P上に仮付けされたラベルの先端が先端検知センサ120にて検知された後、記録開始位置がブラックの記録ヘッド102の下に到達した時点から、記録データ(画像情報)に基づいて記録ヘッド102(ブラック)からはブラックインクを選択的に吐出する。同様に記録ヘッド103(シアン)、記録ヘッド104(マゼンタ)、記録ヘッド105(イエロー)の順に、各色のインクを吐出して複数ラベルにカラー画像を連続的に記録する。121は操作パネルで、記録装置の動作状態や警報等の表示のほか記録動作の一時停止、再開等の操作キーも備える。
図2は本発明を実施した記録装置100の電気的なブロック図である。
ホストPC200から送信された記録データやコマンドはインタフェースコントローラ201を介してCPU202に受信される。CPU202は、記録装置100の記録データの受信、記録動作、ロ−ル紙Pのハンドリング等全般の制御を掌る演算処理装置である。尚インタフェースコントローラ201内部には独立した別なCPUを具える場合もある。
CPU202では、受信したコマンドを解析した後に、記録データの各色成分のイメージデータをイメージメモリ(VRAM)207にビットマップ展開して描画する。記録前の動作処理としては、出力ポート220、モータ駆動部221を介してキャッピングモータ215とヘッドアップダウンモータ214を相互に駆動し、各記録ヘッド102〜105をキャッピング機構112〜115のキャップ位置から記録位置に移動させる。
続いて、同じく出力ポート220、モータ駆動部221を介してロ−ル紙Pを繰り出す給紙モータ216を駆動、そしてロ−ル紙Pを搬送する搬送モータ212等を駆動開始するためにサーボロジック回路210に所望の搬送速度に対応した指示速度値を書き込む。搬送モータ212のモータ軸、又は不図示の搬送ローラ軸にはロータリエンコーダ213が結合され、ロール紙Pの動きに同期したパルスが出力される。
用紙Pに仮付けされた複数のラベルが繰り出されて先端検知センサ120により到来したラベルの先端が検知され、前述のロータリエンコーダ213の出力とによってサーボロジック回路210内部のU/D(Up/Down)カウンタ(不図示)でロール紙P上のラベルの最新位置を正確に示すことが出来る。
又サーボロジック回路210はロータリエンコーダ213からの出力パルスのパルス間隔の逆数に比例した値から搬送されるラベルの最新の搬送速度を求めて、前述の指示速度値となるようにフィードバック制御を行なう。
以上から記録開始する切り出しタイミングを決定出来るので、ロ−ル紙Pの搬送に同期して、CPU202はイメージメモリ207から対応する色の記録データを順次読み出し、記録ヘッド制御回路219を経由し、各記録ヘッド102〜105に読み出しデータを転送する。
各記録ヘッド102〜105内部には温度センサ209を内蔵し、A/Dコンバータ208を介してCPU202は順次読み出すことが出来る。
又記録装置100内部の温度、湿度を検知するための温湿度センサ210の出力もA/Dコンバータ208を介して読み出し可能である。
記録ヘッド102〜105の搬送方向下流側には密着型イメージセンサ(以降はCISとも呼ぶ: Contact Image Sensor)122が配置される場合もある。インク粘度判定用テストパターン実行時に記録されたテストパターンを高速に読み取り、RAM222に記憶する。CIS122は走査の幅が4[inch]で、LED光源、セルフォックレンズ、それにフォトダイオード(受光素子)等から構成される。
搬送される用紙(ロール紙)Pの1/600[inch]毎に各色に対応するLED光源を選択的に切り替えて点灯し、RGB線順次の画像を高速に読み取り、読み出したアナログ値を不図示のADコンバータによりデジタル値に変換後RAM222に書き込み、記憶する。
記録装置100のCPU202はこの他、作業用のメモリとしてワークRAM204を使用する。記録ヘッド102〜105のクリーニングや回復動作時に、CPU202は、出力ポート220、モータ駆動部221を介してポンプモータ217を駆動し、インクの加圧、吸引等の制御を行なう。
記録ヘッド102〜105取り付けから生じるメカ的な記録位置ズレを微小に補正する電気的な補正値等、記録装置100固有のパラメータ等は不揮発性のメモリであるEEPROM205に記憶される。
本発明に関わる記録ヘッド良否判定用テストパターンの指示は通常ホストPC200から行なうが、オペレーションパネル121上の操作キーや表示器からの入力によっても実行できる。
図3を用いて記録ヘッド102〜105内部に有するノズル301の構造を説明する。
複数(多数)のノズル301は、同じく記録ヘッド内部の共通液室302に連通している。全てのノズル301内にはインクを加熱〜発泡させる発熱体303が配置され、駆動パルスが印加されると近傍のインクが急激に加熱され、キャビテーション現象による発泡にて吐出口304からインクが押し出されて吐出される。発熱体303は、シリコン素子基板305上に周知の技術で形成されている。このシリコン素子基板305上部には、天板306が形成され樹脂で被覆されている。
共通液室302もシリコン素子基板305上に形成される。また、発熱体303による発泡時にインク吐出方向(矢印D方向)を安定させる様に作用する弁306や、共通液室302に面するサブヒータ307を具える場合もある。サブヒータ307は、共通液室302内のインクを所定温度に保って粘性を安定させることを目的としている。
図4は記録ヘッドのノズル301からインク滴が吐出されるメカニズムを模式的に示す図である。
(a)は、待機状態であり、水頭差に相当する負圧が作用する為、インク吐出口304にはメニスカスMが形成されている。
(b)は、発熱体303への駆動パルス印加による発泡にてインク吐出口からインクが押し出された状態である。
(c)は、消泡すると共にインク吐出口304から吐出したインク滴が主滴401と副滴402とに分離した状態であり、副滴402は、メニスカスMの後退の影響を受けて、インク吐出方向(矢印D方向)とは反対方向のベクトルの力を受けるので、主滴401よりも吐出速度が小さくなる。
(d)は、主滴401が記録媒体(用紙)Pに着弾した状態であり、
(e)は、主滴401に遅れて副滴402が用紙Pに着弾した状態を示す。
主滴401が用紙Pに着弾した後、副滴402が着弾するまでの間、本発明による記録装置の場合、用紙Pは矢印搬送方向に移動するので、(e)の時点では、主滴401は前方方向で用紙Pへの浸透が始まっている。この結果、主滴401と副滴402では、着弾位置にずれdが発生する。このずれdの距離(間隔)は、用紙Pの搬送速度にほぼ比例して大きくなり、やがて副滴が主滴から離れるとサテライトと呼ばれるようになり画質への影響が大きくなる。
次に図5を用いて、 紙間Gap:Lgを変化させた場合の主滴401と副滴402との着弾点距離について説明する。
ノズル口からインクが吐出する際、インクのリフィルが充分間に合っている場合、負圧により副滴402には吐出方向(矢印D方向)とは反対方向のベクトルが働き、吐出速度が減少する。ノズル口から吐出する時の、主滴速度:Vm、副滴速度Vs、紙間Gap:Lg、搬送速度(記録速度):VPとすると、主滴401と副滴402の用紙着弾点距離は式(1)であらわされ、紙間Gap:Lgが広がると主滴と副滴間距離も広がる。
図6は用紙搬送速度をある所定値にして記録ヘッドのノズルフェース面〜用紙表面間の紙間Gap:Lgを変化させ、市松模様を記録した場合のOD(Optical Density)値を示すグラフである。グラフのA部より左では副滴は主滴の領域内に包含されるのでODは最も小さい(ODmin)。記録品位の点から紙間Gap:Lgは小さいほど好ましいが、ノズルフェース面と用紙の接触を避ける為には図の禁止領域が必要である。紙間Gap:LgをA部より更に大きくすると、副滴が主滴から外れてくるので、OD値が徐々に増加する。
B部、C部を経てD部でOD値は最大(ODmax)となるが、主滴自体の安定性を考慮すると、図の如く例えばC部(OD値:ODlim )より右も禁止領域に設定する。
図7は紙間Gap:Lgをある所定値にして記録動作時の搬送速度を変化させ、市松模様を記録した場合のOD(Optical Density)値を示すグラフである。グラフのa部より左では副滴は主滴の領域内に包含されるのでOD値は最も小さい(ODmin)。記録品位の点から用紙搬送速度Vpは小さいほど好ましい。搬送速度をA部(Vp1)より更に大きくすると、副滴が主滴から外れてくるので、OD値が徐々に増加する。これはサテライトと呼ぶ現象が顕在化することに他ならないので、図の如く記録動作時の搬送速度の上限をVpmaxに設定する。
尚、前述図6、図7では市松模様(duty:50%)の記録パターンを例にして説明したが、重要な点は主滴〜副滴の着弾点距離の変化に応じたOD値の僅かな変化を密着型イメージセンサ122で捉え易い記録パターンを選択することにある。
図8はテストパターンを記録した例である。
図8−1は用紙搬送速度を一定にして紙間Gap:Lgを最大(801)〜最小(803)に変化させて得られる記録結果で、図8−2は紙間Gap:Lgを一定にして用紙搬送速度を最大(804)〜最小(806)に変化させて得られる記録結果である。
通常であれば、紙間Gap(Lg):最小時の記録結果803のOD値(記録濃度)は中央位置の記録結果802や最大値の記録結果801より僅かに小さい。
同様に、用紙搬送速度:最小時の記録結果806のOD値(記録濃度)は中速時の記録結果805や最大値の記録結果804よりも僅かに小さい。
以上の説明に基づく記録装置100のCPU202の処理動作フローを図9、10にて詳細に説明する。
先ず図9では搬送速度を一定にして紙間Gap:Lgを変化させるモードについて説明する。
記録ヘッドの良否判定するためのテストパターンがホストPC200、或いは記録装置100上のオペレーションパネルから指示されるとCPU202は記録ヘッドを待機位置から紙間Gap:Lg最大位置、例えばLg:1.2[mm]の位置に移動させ(901)、続いて搬送開始し所定搬送速度、例えば150[mm/sec]に設定(902)、次にテストパターン801(図8−1参照)を記録し(903)、まだ全てのパターンが終了していない(904-No)ので一旦搬送を停止、用紙を逆搬送して所定量戻す(907)。
次に記録ヘッドを微小量下げ次の紙間Gap、例えばLg:1.0[mm]の位置に移動(908)、902の処理に戻って次のテストパターン802(図8−1参照)を記録する。
同様な処理を繰り返して更に記録ヘッドを微小量下げて次の紙間Gap、例えばLg:0.8[mm]の位置に移動し(908)、再度902の処理に戻って最後のテストパターン803(図8−1参照)を記録する。
ここで記録は完了したので(904-Yes)、続いてCPU202は搬送動作を継続したまま、直ちに密着型イメージセンサ122をONさせる(905)。
そしてエンコーダ213の出力パルス列に同期し、記録幅全域に渡って記録濃度を読み出し、更にこの読み出し動作を搬送方向に連続的に繰り返して読み出しデータをRAM204に記憶する(906)。
そして全ての濃度データの取り込みが完了したら、次に絶対的な濃度が不足(例えばOD値≦0.9)している個所が存在するかをチェックし、“あり”なら(909-Yes)不良なノズルが存在すると判断し、記録ヘッド自体の不良と判定(913)、警報出力する(914)。
絶対濃度不足個所がなければ(909-No)、今度は絶対濃度の過剰な個所があるかをチェックし、“あり”(910-Yes)なら主滴401の着弾位置不良、或いは副滴402が多すぎるノズルが存在すると判断し、やはり記録ヘッド自体の不良と判定(913)、警報出力する(914)。
絶対濃度の過剰な個所もなかったなら(910-No)、続いて紙間Gap:最大時のパターン801と最小時のパターン803との記録濃度差をチェックし、所定値(例えばOD値で0.1相当)を超えている場合(911-Yes)、これも記録ヘッドは不良と判定して(913)、警報を出力する(914)。
パターン801と803との記録濃度差も所定値以内なら(911-No)、当該記録ヘッドは良品と判定する。記録装置100の全要素は待機状態に復帰し(912)、処理は終了する。
次に図10では紙間Gap:Lgを一定にして搬送速度を変化させるモードについて説明する。
口記録ヘッドの良否判定するためのテストパターンがホストPC200、或いは記録装置100上のオペレーションパネルから指示されるとCPU202は記録ヘッドを待機位置から所定の紙間Gap:Lg、例えばLg:0.8[mm]の位置に移動させ(1001)、続いて搬送開始し最初の搬送速度(N=1)、例えば450[mm/sec]に設定(902)、次にテストパターン804(図8−2参照)を記録し(1003)、まだ全てのパターンが終了していない(1004-No)ので一旦搬送を停止、用紙を逆搬送して所定量戻す(1007)。
続いて次の搬送速度を選択する為、Nを1つ進め(1008)、1002の処理に戻って次の搬送速度、例えば300[mm/sec]に設定し、パターン805(図8−2参照)を記録する。
同様な処理を繰り返して更にNを進ませて(1008)、再度1002の処理に戻って搬送速度を最小値、例えば150[mm/sec]に設定して最後のテストパターン806(図8−2参照)を記録する。
ここで記録は完了したので(1004-Yes)、続いてCPU202は搬送動作を継続したまま、直ちに密着型イメージセンサ122をONさせる(1005)。
そしてエンコーダ213の出力パルス列に同期し、記録幅全域に渡って記録濃度を読み出し、更にこの読み出し動作を搬送方向に連続的に繰り返して読み出しデータをRAM204に記憶する(1006)。
そして全ての濃度データの取り込みが完了したら、次に絶対的な濃度が不足(例えばOD値≦0.9)している個所が存在するかをチェックし、“あり”なら(1009-Yes)不良なノズルが存在すると判断し、記録ヘッド自体の不良と判定(1013)、警報出力する(1014)。
絶対濃度不足個所がなければ(1009-No)、今度は絶対濃度の過剰な個所があるかをチェックし、“あり”(1010-Yes)なら主滴401の着弾位置不良、或いは副滴402が多すぎるノズルが存在すると判断し、やはり記録ヘッド自体の不良と判定(1013)、警報出力する(1014)。
絶対濃度の過剰な個所もなかったなら(1010-No)、続いて搬送速度:最大時のパターン804と最小時のパターン806との記録濃度差をチェックし、所定値(例えばOD値で0.1相当)を超えている場合(1011-Yes)、これも記録ヘッドは不良と判定して(1013)、警報を出力する(1014)。
パターン804と806との記録濃度差も所定値以内なら(1011-No)、当該記録ヘッドは良品と判定する。記録装置100の全要素は待機状態に復帰し(1012)、処理は終了する。
以上説明したように、本発明の記録装置による記録ヘッドの良否判定方法によれば、定量的でしかも単なる不吐検知や記録濃度不良判定ではなく、主滴、副滴相互の吐出状況も数値的な裏付けを以って自動判定するので、判定結果のバラツキが小さくなる。
本発明の記録装置は高速で且つヘビーデューティのラベルプリンタや大判のカラープリンタ等、特にラインプリンタへの利用で高画質な画像を安定出力できるようになり、記録装置の動作信頼性を格段に向上できる。
本発明を実施した記録装置の一例を示す概略構成図である。 本発明を実施した記録装置の電気的なブロック図である。 記録ヘッドのインク吐出ノズルとその周辺部を示す断面図である。 吐出される主滴と副滴の動きと位置関係を説明する図である。 主滴、副滴の着弾点距離を説明する図である。 紙間Gapの変化に対する記録濃度の変化を説明する図である。 搬送速度の変化に対する記録濃度の変化を説明する図である。 記録ヘッドの良否判定するテストパターンの一例を示す図である。 記録ヘッドの良否判定するCPU処理のフローチャートである。 記録ヘッドの良否判定するCPU処理のフローチャートである。
符号の説明
P 用紙(ロール紙)
100 記録装置
102 記録ヘッド(K)
103 記録ヘッド(C)
104 記録ヘッド(M)
105 記録ヘッド(Y)
112 回復ユニット(K)
113 回復ユニット(C)
114 回復ユニット(M)
115 回復ユニット(Y)
120 先端検知センサ
121 オペレーションパネル
122 密着型イメージセンサ(CIS)

200 ホストPC
202 CPU
203 ROM
204 RAM
213 エンコーダ(搬送部)

301 ノズル
303 発熱体

401 主滴
402 副滴

Claims (5)

  1. 搬送される記録媒体に複数のノズルからインクを吐出して画像を記録する記録ヘッドの製造方法において、
    前記記録媒体の複数の搬送速度を設定する搬送速度設定手段と、
    前記記録ヘッドと前記記録媒体間の複数の紙間ギャップを設定する紙間ギャップ設定手段を具え、
    設定された前記複数の搬送速度、若しくは前記複数の紙間ギャップで得られた記録結果に基づき、記録ヘッドの良否を判定する記録ヘッド良否判定手段を更に具えることを特徴とする記録ヘッドの製造方法。
  2. 搬送される記録媒体に複数のノズルからインクを吐出して画像を記録する記録ヘッドと、
    前記記録媒体の複数の搬送速度を設定する搬送速度設定手段と、
    前記記録ヘッドと前記記録媒体間の複数の紙間ギャップを設定する紙間ギャップ設定手段を具えた記録装置において、
    設定された前記複数の搬送速度、若しくは前記複数の紙間ギャップで得られた記録結果に基づき、記録ヘッドの良否を判定する記録ヘッド良否判定手段を更に具えることを特徴とする記録装置。
  3. 前記記録ヘッド良否判定手段は前記記録ヘッドより搬送方向下流部に配置された画像走査手段を含むことを特徴とする
    請求項1又は2に記載の記録ヘッドの製造方法、又は記録装置。
  4. 前記記録ヘッド良否判定手段は市松模様のテストパターンを出力するパターン生成手段を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の記録ヘッドの製造方法、又は記録装置。
  5. 前記記録ヘッド良否判定手段は前記テストパターンの記録結果が所定の濃度範囲に入るか否かを判定することを特徴とする
    請求項4に記載の記録ヘッドの製造方法、又は記録装置。
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