JP2008000914A - インクジェット記録装置、および、吐出状態検知方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、熱エネルギーによりインクを吐出するインクジェット方式の記録装置に関するものである。本発明は、インクの吐出不良による印字品位の低下や記録ヘッドへの過負荷を避けるために、インクを吐出する各ノズル単位でインク吐出の良否を、簡単な構成で正確に検出することを目的とする。
【解決手段】 ヒータの駆動による熱エネルギーをインクに作用させてインクを吐出させるタイプの記録ヘッドを用い、ヒータの各々について、駆動を行ったときの温度変化を温度センサにより測定する。インクを吐出するための駆動電圧を印加した後の温度変化曲線にて変曲点の有無を判定することにより瞬時にノズルごとの吐出状態判定をすることができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、電気熱エネルギー変換体の熱エネルギーを記録用インクに作用させて吐出口から吐出させるタイプの記録ヘッド及び該記録ヘッドにより記録用インク液滴を紙等の被記録材に吐出して付着させることにより各種情報の記録を行うインクジェット記録装置に関するもので、特にフルライン型記録ヘッド及び該記録ヘッドを用いたインクジェット記録装置に好適な吐出不良を検出して画像の補正や回復作業に反映させる記録ヘッドおよびインクジェット記録装置に関するものである。

記録ヘッドの吐出口からインク（記録用インク液滴）を吐出させて紙等の被記録材に付着させるインクジェット記録方式の中で、熱エネルギーをインクに作用させて上記の吐出口から吐出させる方式が知られている。この方式は、吐出口の高密度マルチ化が容易である等の利点を有する。一方、このような吐出方式の記録ヘッドを用いたインクジェット記録装置においては、異物による吐出口の目詰まりやインク供給経路内に混入した気泡やノズル表面の濡れ性の変化により記録ヘッドの全体又は吐出ノズルの一部で吐出不良が発生することがある。

記録ヘッドに吐出不良のノズルが発生した場合に、吐出状態を回復させる回復動作を実行することが好ましい。記録ヘッドの往復走査と記録材である記録紙の搬送とを繰り返して記録を行う、いわゆるシリアル方式のインクジェット記録装置は、記録紙の外に記録ヘッドを移動させて回復動作を実行することが可能である。しかし、記録材の全幅に対応する数だけライン状に配してなるフルライン型記録装置では、記録動作も非常に高速であり、また、記録動作中に記録ヘッドを記録紙の外に移動させることができない。従って、吐出不良の発生した吐出ノズルを速やかに特定し、吐出不良のノズルが特定された場合には、画像の補完や記録ヘッドの回復作業に反映させることが極めて重要な課題となっている。

なお、上述の吐出不良の課題に鑑みて、従来から、種々の不吐出検知方法、不吐出補完方法、制御方法と装置および種々の吐出量制御方法、装置が提案されている。

プリント物を検出し画像欠陥のない画像を得るプリント方法として、検出用の紙に所定パターンをプリントし、読取装置により読取って異常なプリント素子を検出する構成が特許文献１に開示されている。この特許文献１には、異常なプリント素子に加えるべき画像データを移動して他のプリント素子の画像データに重畳し、プリントを補完させることにより画像欠陥のない画像を得ようとする構成が開示されている。

また、ページワイド幅のヘッドを用いる構成において、インクジェット記録ヘッドの吐出状態を同じにする為に、インクが吐出されたか否かを検出する検出手段（読取りヘッド）を設けた構成が知られている。例えば、特許文献２には、インクが吐出されたか否かを検出する構成を備え、検出したときの駆動条件に基づいて制御を設定する構成が開示されている。

さらには、インク滴の飛翔を検出する方法として、記録ヘッドの吐出口列の両端近傍に配置された発光素子と受光素子の組みを設け、吐出された記録液を検知する手段により各吐出口の記録液吐出状況を判断する構成が、特許文献３に開示されている。また、吐出源で検出する方法として、ヒータから発生される熱の影響を受ける位置に導体部を配列し、温度に依存して変化する導体部の抵抗値の変化を検知するようにした構成が特許文献４に開示されている。

さらに、吐出源でインク滴を検出するための構成として、ヒータと温度検知素子をＳｉ基板等の同一の支持体上に設けた構成が特許文献５に開示されている。この特許文献５には、膜状に構成される温度検知素子をヒータの配列領域と重なるように設けた構成が開示されている。この特許文献５では、温度変化に応じた温度検知素子の抵抗値変化から不吐出の判定を行う構成が開示されている。また、特許文献５には、成膜プロセスにより膜状の温度センサがヒータボード上に形成され、端子からワイヤーボンディング等の方法により外部と接続される構成が開示されている。
特開平６−７９９５６号公報 特開平３−２３４６３６号公報 特開平２−１９４９６７号公報 特開昭５８−１１８２６７号公報 特開平２−２８９３５４号公報

前述の特許文献１に開示されるノズルの異常検出方法では、用紙上にプリントしたチェックパターンを読み取った結果から異常なプリント素子を検出する。そのため、吐出不良を検出する前にパターンのプリントが必要であり、速やかに不吐検出を行うことが非常に困難である。また、読取装置を設ける必要があり、装置コストが高くなってしまう。

また、特許文献２、特許文献３に開示される構成では、装置の小型化、低コスト化が難しく、吐出不良のノズルを速やかに検出することも困難である。

上述の特許文献に記載される発明においては、ノズル毎の吐出不良の検出を、速やかに、且つ装置規模を大きくすることなく実行できる構成は開示されていない。

本発明は上記問題点を解決して、装置規模を大きくすることなく、各ノズルに対応した吐出状態を高速で検知できる吐出状態検知方法、ならびにインクジェット記録装置を提供する事を目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、複数の吐出口を備え、熱エネルギーを発生するヒータの駆動によりインクを前記吐出口から吐出する記録ヘッドを用い、記録媒体へインクを吐出して記録を行うインクジェット記録装置であって、インクを吐出するための駆動電圧を印加して前記ヒータを駆動したときの、前記ヒータ付近の温度変化を検出する温度検出手段と、前記温度検出手段によって検出した温度変化の、温度が上昇した後の降下する範囲において、温度変化に変曲点が生じたか否かを判断する判断手段と、を有し、前記判断手段は、前記変曲点が生じていない場合に、検出対象の吐出口が正常な吐出状態ではないと判断することを特徴とする。

また、本発明は、複数の吐出口を備え、熱エネルギーを発生するヒータの駆動によりインクを前記吐出口から吐出する記録ヘッドを用い、記録媒体へインクを吐出して記録を行うインクジェット記録装置における吐出状態検知方法であって、インクを吐出するための駆動電圧を印加して前記ヒータを駆動する駆動工程と、前記駆動工程により前記ヒータを駆動したときの、前記ヒータ付近の温度変化を検出する温度検出工程と、前記温度検出工程において検出した温度変化の、温度が上昇した後の降下する範囲において、温度変化に変曲点が生じたか否かを判断する判断工程と、を有し、前記判断手段は、前記変曲点が生じていない場合に、検出対象の吐出口が正常な吐出状態ではないと判断することを特徴とする。

上述した構成により、インクを吐出するためのヒータ駆動時の温度変化における、温度が降下する際の変曲点が生じているか否かにより、正常に吐出しているか不吐出の状態となっているかを判断することができる。本発明の構成によれば、記録ヘッドの駆動時の温度変化を監視することで、不吐出が発生したことを速やかに知ることができ、不吐出発生時の吐出回復処理、記録ヘッド保護処理、ユーザーへの警告などを迅速に行うことができる。

（実施例１）
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

最初に、本発明を適用可能なインクジェット記録装置の構成について説明する。

図５は、シリアル方式インクジェットカラープリンタの主要部の構成を示す概略図である。記録ヘッド１は、複数のノズルが配列されたノズル列を複数有しており、ノズルに対応した吐出口（不図示）からインク滴を吐出することにより、記録媒体１２上に画像記録を行うデバイスである。

図４は、記録ヘッドに設けられた温度検知素子の構成を説明する図である。図４（ａ）は記録ヘッドの基板の模式的部分平面図であり、図４（ｂ）は記録ヘッドの基板の模式的断面図である。

列状に設けられた複数個の吐出口よりインク滴を吐出させるために、印加電圧が供給され熱エネルギーを発生する電気熱エネルギー変換体（以下、吐出ヒータ３）がヒータボード１０上に配設されている。そして、各吐出口毎に設けられた吐出ヒータ３に駆動信号を印加することにより、吐出口内部のインクを加熱して、吐出口からインク滴を吐出させる。

図４（ａ）において、４はワイヤーボンディングにより外部と接続するための端子である。５は温度検知素子（以下、温度センサ５）である。温度センサ５は、吐出ヒータ３と同じ製膜プロセスによりヒータボード１０に形成される。

図４（ｂ）は、（ａ）における温度センサ５を含む部分の断面を模式的に示した図である。Ｓｉ基板２１には、熱酸化膜ＳｉＯ_２等からなる蓄熱層２２を介して、温度検知素子３と接続配線のためのＡｌ等の個別配線２３およびヒータ３とＳｉ基板２１に形成された制御回路を接続するＡｌ配線が形成される。温度検知素子５は、温度に応じて抵抗値が変化する薄膜抵抗体で形成される。薄膜抵抗体の材料としては、Ａｌ、Ｐｔ、Ｔｉ、ＴｉＮ、ＴｉＳｉ、Ｔａ、ＴａＮ、ＴａＳｉＮ、ＴａＣｒ、Ｃｒ、ＣｒＳｉ、ＣｒＳｉＮ、Ｗ、ＷＳｉ２、ＷＮ、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ，α−Ｓｉ、Ｍｏ、ＭｏＳｉ，Ｎｂ、Ｒｕ等が挙げられる。Ｓｉ基板２１には、更に層間絶縁膜２４を介して吐出ヒータ３、ＳｉＮ等のパシベーション膜２５、耐キャビテーション膜２６が半導体プロセスで高密度に積層されて形成される。耐キャビテーション膜２６は、吐出ヒータ３上の耐キャビテーション性を高める為の膜であり、例えばＴａ膜である。温度センサ５は、前記吐出ヒータ３の各々の直下に、吐出ヒータ３毎に分離独立して配置される。各温度センサ５に接続される個別配線２３は温度検知素子の情報を検出する検出回路の一部として構成される。本実施例で説明する記録ヘッドの構成によれば、従来のインクジェット記録ヘッドの製造工程を利用して、各要素をパターンニングするため、従来の記録ヘッド構造を変えることなく、工業生産上も大きな利点を有する。

本実施例では、温度センサ５の平面形状を四角形としているが、微少な温度変動でも高い電圧値として出力するために蛇行形状として高抵抗化を図ったものとしてもよい。

図６は、記録装置の制御回路のブロック図である。図６に示すように、制御回路は、画像入力部４０３、画像信号処理部４０４、ＣＰＵ４００のそれぞれが、メインバス４０５に対してそれぞれアクセスするよう構成されている。

ＣＰＵ４００は、ＲＯＭ４０１とＲＡＭ４０２を有し、入力情報に対して適切な記録条件を与えて記録ヘッド４１２を駆動して記録を行うための制御を実行する。また、ＲＡＭ４０２内には、予め記録ヘッドの回復手順を実行するプログラムが格納されており、必要に応じて予備吐出条件等の回復条件を回復処理制御回路４０７、記録ヘッド等に与える。回復処理モーター４０８は、記録ヘッド４１２とこれに対向して設けられるブレード（クリーニング）４０９やキャップ４１０、吸引ポンプ４１１を駆動する。

記録ヘッド駆動制御回路４１４は、ＣＰＵ４００から与えられた駆動条件にしたがって、記録ヘッド４１２の電気熱変化体である吐出ヒータ３を駆動し、記録ヘッド４１３に予備吐出や記録用インク吐出を行わせる。

図１は、吐出ヒータにインクを吐出させるための駆動電圧を印加したときの、時間と温度の変化を示す曲線図である。図１では、各ノズルの吐出状態の違いにより、温度センサが検出する温度プロファイルが異なることを示している。図１に示す（ａ）は、正常にインクが吐出する場合の変化を示している。正常にインクを吐出できる状態の場合、駆動条件が一定であればセンサによる検出温度が最高温度に到達した時間から一定時間後に温度が降下する速度が急激に変化するポイントが出現する。このポイントのことを以後変曲点と呼ぶ。本実施例で用いているノズル形状においてはセンサ検出温度が最高温度到達してから約４．２μｓｅｃ後に変曲点が現れる。この、変曲点が現れる時間については、吐出口、インクの流路といったヘッドの構造、ヒータの発熱能力、といった条件によって異なるものである。従って、変曲点が生じているか否かを判断するタイミングについては、記録ヘッドに応じて適宜設定されることが好ましい。

一方、正常にインクを吐出できない状態の場合、図１中に（ｂ）で示すように、温度が降下する過程で傾きの変化は現れない。このような変化を示す状態としては、例えば、耐キャビテーション膜上に残留気泡が接触していることにより不吐出が考えられる。耐キャビテーション膜上に残留気泡が接触している場合、吐出ヒータからインクへ熱が伝わらず、インクの相変化が生じないためにインクが正常に吐出されない。このような状態を「泡による不吐状態」と呼ぶ。

また、図１の（ｃ）は、吐出口近傍にゴミが詰まることにより、インクが正常に吐出していない場合の温度変化を示している。このような場合も、図から明らかなように、正常に吐出している時に変曲点が現れるタイミングにおいて、変曲点は出現していない。

前述した例以外の吐出異常状態においても同様に、温度センサが検出する温度曲線の、温度が降下する過程において変曲点は現れない、あるいは正常吐出時とは異なるタイミングで変曲点が発生する。そこで、所定の時間範囲内で温度センサが検出する温度変化を演算処理することにより、インクが吐出口から正常に吐出している状態と正常に吐出していない状態とを判別する。

図２の（ｉ）で示すグラフは、温度センサが検出した温度変化のうち、正常に吐出している時に変曲点が出現する時間の１μｓ前から変曲点が出現してから１μｓ後までの範囲内で一階微分した結果である。図２の（ｉ）は、図１で説明した（ａ）、（ｂ）、（ｃ）それぞれの状態について示している。（ａ）で示す正常に吐出している時のプロファイルにおいて、温度が降下する過程で傾きの変化がある時間での一階微分の結果をみると極大値、極小値が現れていることがわかる。（ｂ）、（ｃ）の状態の場合には、（ａ）の状態で現れる変化は確認できない。

図２における（ii）のグラフは、（ｉ）で示した結果をさらに時間で微分をおこなった結果を表している。（ii）で示す変化をみると、正常に吐出している時には負のピークが出現していることがわかる。一方、正常にインクが吐出しない場合をみてみると、頂点が負の値をもつピークは存在していない。

図２の（ｉ）と（ii）を比較すると、温度プロファイルの一階微分した波形に比べ、二階微分した波形の方が出力値の差が大きい。そのため、吐出異常判定システムという観点から判定方法を考えると、図２の（ii）で示すような、温度変化の検出結果を二階微分した波形の方を採用する方が好ましい。なお、温度変化の変曲点を検出する他の手法として、例えば、温度プロファイルの曲率の変化により求める方法が考えられる。本発明は、上述した手法に限定されるものではなく、検出した温度変化から変曲点の出現を見つける他の手法を採用することも可能である。

図３は本実施例におけるノズルの吐出異常判定処理を示すフローチャートである。

以下、図１、３を参照して不吐判定処理の流れについて説明する。

まずステップＳ１にて吐出ヒータに印加される駆動電圧のパルス幅を参照する。

次にステップＳ２では、ステップＳ１にて参照された駆動波形に基づいて、正常に吐出しているときの変曲点の出現タイミングを、記憶素子から読み取る。正常な吐出状態における変曲点については、装置を出荷する前の、例えば工場でのチェック時に記憶させておくことができる。ここでは、出荷前において予め記憶させておいたタイミングを、メモリなどの記憶素子から読み出すものとする。

ステップＳ３では、駆動電圧が吐出異常判定処理対象のノズルに印加されたときの温度変化を温度センサで測定する。

ステップＳ４では、ステップＳ３で測定された温度変化を時間で２階微分する。なお、この微分の処理は、ステップＳ２で読み取った変曲点のタイミングの、前後１μｓの時間範囲内について行う。

ステップＳ５では、ステップＳ４にて演算された温度変化の２階微分のプロファイルにおいて極小値が０以下の負のピークがあるのかないのかを判断する。ステップＳ４にて設定した時間範囲内に負のピークがある場合は、正常に吐出していると判断する。また、ステップＳ４にて設定した時間範囲内に負のピークがない場合は、吐出に異常が生じている状態であると判断する。

ステップＳ５にて正常と判定されたならばステップＳ７に進み、吐出異常と判定されたならばステップＳ６に進み印刷休止あるいは回復処理動作に入り、ステップＳ７に進む。

ステップＳ７では、吐出異常判定処理が終了したかどうかを判定する。仮に終了していない場合、他のノズルに吐出異常判定処理の対象を変更しステップＳ１からステップＳ５までを繰り返す。これは吐出異常判定処理が終了したという信号が検出されるまで繰り返される。

なお、上述した処理フローにおいて、ステップＳ５で吐出異常であると判断した場合に、ステップＳ６で印刷休止や回復処理動作を実行する構成に限定されるものではない。例えば、ステップＳ６において、異常と判定されたノズルを記憶しておき、全ノズルについて異常判定処理が終了するまでステップＳ３〜ステップＳ５の判定処理を繰り返すような処理としてもよい。この処理の場合は、全てのノズルについて判定所定が完了した後、必要な回復処理を実行する、もしくは、印刷動作を休止することが可能である。

（実施例２）
以下、本発明の実施例２について、説明する。

実施例１においては、検出した温度の変化を処理し、温度が降下するときの変曲点の有無を判断することで吐出状態を判断した。

本発明は上述の実施例１の構成に限定されるものではなく、吐出の異常を判断する他の手法として、正常吐出時の温度曲線と異常吐出時の温度曲線の形状を比較するものである。

例えば、正常に吐出しているときの温度変化の曲線を予め記憶しておき、検出して得られた温度変化と比較する。つまり、検出して得られた温度変化と、予め記憶しておいた正常時の温度変化との差に従って、吐出状態を判断する。
このように、比較対象が１ポイントで正確に不吐判定を行う方法を採用することによって、瞬時にノズルごとの吐出状態を詳細に判別することができる。したがって連続印字中に吐出異常が発生しても他ノズルによる補完や回復動作、または印字を停止することによって画像品位が低下した印字物を大量に発生させることがないので画像品位の信頼性が高いまま保たれる。

（その他の実施例）
図５では、シリアルタイプのインクジェット記録装置を例に挙げて説明した。本発明は、図５に示す方式の記録装置に限定されるものではない。例えば、記録紙の幅方向の全域に渡ってノズルを配置した、いわゆるフルラインタイプの記録ヘッドを用いる記録装置にも本発明を適用することが可能である。

また、演算の処理について、温度が降下するときの変曲点が生じ得るタイミング付近を対象として説明したが、ヒータ駆動開始から温度が降下するまでの温度変化をサンプリングして、温度変化の変曲点の有無を判断する構成としてもよい。

ヒータを駆動したときのセンサによる検出温度の変化を、吐出状態毎に示した図である。 センサにより検出した温度変化を、一階微分したグラフおよび、時間により二階微分したグラフである。 本発明の実施例１における吐出異常判定フローチャートを示す図である。 本発明を適用可能なインクジェット方式の記録ヘッドの、模式的部分平面図および断面図である。 シリアル方式インクジェットカラープリンタの斜視図である。 記録装置の制御構成を示すブロック図である。

符号の説明

１、４１２ 記録ヘッド
２ 吐出口
３ 吐出ヒータ
５ 温度センサ（温度検知素子）
１０ ヒータボード
２１ Ｓｉ基板
２３ 個別配線
４００ ＣＰＵ
４０１ ＲＯＭ
４０２ ＲＡＭ
４０３ 画像入力部
４０４ 画像信号処理部
４０５ メインバス
４０６ 操作部
４１３ 記録ヘッド温度制御回路
４１４ 記録ヘッド駆動制御回路

Claims (8)

1. 複数の吐出口を備え、熱エネルギーを発生するヒータの駆動によりインクを前記吐出口から吐出する記録ヘッドを用い、記録媒体へインクを吐出して記録を行うインクジェット記録装置であって、
   インクを吐出するための駆動電圧を印加して前記ヒータを駆動したときの、前記ヒータ付近の温度変化を検出する温度検出手段と、
   前記温度検出手段によって検出した温度変化の、温度が上昇した後の降下する範囲において、温度変化に変曲点が生じたか否かを判断する判断手段と、
   を有し、前記判断手段は、前記変曲点が生じていない場合に、検出対象の吐出口が正常な吐出状態ではないと判断することを特徴とするインクジェット記録装置。
2. 前記変曲点が生じている場合に、該当する吐出口から正常にインクが吐出していると判断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装置。
3. 前記記録ヘッドは、前記ヒータの上方にあるインクの流路中のインクを加熱するよう前記ヒータが設けられるとともに、前記ヒータの下方に温度を検出する温度センサが設けられ、
   前記温度検出手段は、前記温度センサの出力に基づいて前記温度変化を検出することを特徴とする請求項１または２に記載のインクジェット記録装置。
4. 前記ヒータと前記温度センサは、前記複数の吐出口それぞれに対応させて設けられるとともに、
   前記判断手段は、前記複数の吐出口それぞれについて、前記吐出状態を判断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記録装置。
5. 前記判断手段は、正常な吐出状態において前記変曲点が生じるタイミングを含む所定の時間範囲における前記温度変化を演算処理した結果に基づいて、前記変曲点が生じたか否かを判断することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のインクジェット記録装置。
6. 前記演算処理は、検出した温度変化の波形の１階微分であることを特徴とする請求項５に記載のインクジェット記録装置。
7. 前記演算処理は、前記１階微分の結果を時間で微分した２階微分であることを特徴とする請求項６に記載のインクジェット記録装置。
8. 複数の吐出口を備え、熱エネルギーを発生するヒータの駆動によりインクを前記吐出口から吐出する記録ヘッドを用い、記録媒体へインクを吐出して記録を行うインクジェット記録装置における吐出状態検知方法であって、
   インクを吐出するための駆動電圧を印加して前記ヒータを駆動する駆動工程と、
   前記駆動工程により前記ヒータを駆動したときの、前記ヒータ付近の温度変化を検出する温度検出工程と、
   前記温度検出工程において検出した温度変化の、温度が上昇した後の降下する範囲において、温度変化に変曲点が生じたか否かを判断する判断工程と、
   を有し、前記判断手段は、前記変曲点が生じていない場合に、検出対象の吐出口が正常な吐出状態ではないと判断することを特徴とするインクジェット記録装置。

Images