JP3835532B2

JP3835532B2 - インクジェット式印刷装置

Info

Publication number: JP3835532B2
Application number: JP2001329322A
Authority: JP
Inventors: 啓司渡辺; 俊孝小川; 悟飛田
Original assignee: リコープリンティングシステムズ株式会社
Priority date: 2001-10-26
Filing date: 2001-10-26
Publication date: 2006-10-18
Anticipated expiration: 2021-10-26
Also published as: JP2003127430A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、オンデマンド型インクジェット式印刷装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
オンデマンド型インクジェット式印刷装置では、インクを噴射する方式として、電気ヒータによりインク中に気泡を発生させてインクを噴射するサーマル方式と、圧電素子を用いて圧力室の壁面の一部を変形させてインクを噴射する圧電素子方式とがある。
【０００３】
いずれの場合も、インクジェットヘッドと印刷媒体との相対位置を変更しながら、インクジェットヘッドから微細なインク滴を吐出して印刷媒体上に画像を形成するもので、コンピュータ等からの出力装置として広く使用されている。
【０００４】
上記の印刷装置では、インクジェットヘッドに設けられた複数のノズルから相対的に移動する用紙等の印刷媒体に向ってインク滴を吐出しており、インク滴を吐出できないノズルがあると印刷媒体上でドット抜けとなる。また、例え吐出はしていても、印刷媒体上の所定の位置にドットを形成するためには、吐出されるインク滴の速度を所定の値にする必要がある。また、良好な解像度の印刷品質を得るためには、印刷媒体上でのドットを所定のサイズにする必要がある。
【０００５】
しかし、インク滴速度のばらつきが生じると狙った位置にインク滴が着弾せず、このためドットの形成位置がずれる。またインク滴の体積が所定の値と異なると、体積が大きい場合は印刷媒体上でにじみや画像のつぶれが生じ、逆に体積が小さい場合は画像に隙間を生じてしまい、いずれの場合も印刷品質が悪化する結果となる。このような印刷品質の悪化を回避するために、インクジェットヘッドを構成する部品の精度や組立精度を向上させる方法が採られている。
【０００６】
しかし、このような方法で精度を上げても、様々な要因による印刷品質の悪化を十分に回避できるとは限らない。なぜなら、紙粉や異物のノズルへの付着による不吐出は、印刷用紙の種類や印刷装置の設置環境により発生頻度に差があるにしても、完全に防ぐことは困難だからである。
【０００７】
また、インクジェットヘッドの組立において、接着剤の厚みを完全に制御することは困難であり、そのばらつきがインク滴の速度あるいは体積に影響を与え、近年の高画質化の要求を満足できない場合がある。同様に、周囲温度の変化によるインク粘度の変化によってもインク滴の速度及び体積は変化し、印刷画質に影響を与える。更に、吐出のためのエネルギー発生部材の特性の経時変化、もしくはノズルを構成する部品の組立に用いる接着剤の物性の経時変化により、吐出特性が変化する場合もある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、インク滴の不吐出によるドット抜けを防止し、インク滴の速度あるいは体積が所定の値を得られないことによる印刷画質の悪化を、インク滴の速度及び体積を制御することによって防止することができるインクジェット式印刷装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の請求項１記載の発明は、インク滴を吐出して印刷を行なうインクジェットヘッドを備えたインクジェット式印刷装置であって、平面状で互いに平行な第１の光線と第２の光線を出射する光源と、前記第１の光線と第２の光線を検出する光検出手段を備え、前記インク滴が前記第１の光線を通過してから第２の光線を通過するまでの時間を計測することによりインク滴の速度を測定すると共に、前記第１あるいは第２の光線の少なくとも一方において、所定時間毎にインク滴が光線を遮る量を夫々測定し、これらの測定結果からインク滴の吐出方向における断面形状を求めると共に、インク滴の吐出方向と直角な方向のインク滴の断面を円形と仮定して当該インク滴の体積を算出し、この算出された体積及び前記インク滴の速度に基づいて前記インク滴を吐出するノズルの駆動波形を調整する手段と、不吐出ノズルの吐出回復のためにインクジェットヘッドをクリーニングする手段を備えることを特徴とする。
【００１３】
上記課題を解決する本発明の請求項２記載の発明は、請求項１記載のインクジェット式印刷装置において、前記第１の光線及び前記第２の光線がレーザであることを特徴とする。
【００１４】
上記課題を解決する本発明の請求項３記載の発明は、請求項１または２記載のインクジェット式印刷装置において、前記第１の光線及び前記第２の光線はスリットを通して取り出し、このスリットから取り出された前記第１の光線及び前記第２の光線が、前記スリットの出口の幅及び高さにより制御された平面状の光であり、かつ第１の光線及び前記第２の光線の面の幅は、インク滴吐出の軌跡に直角な方向のインク滴の径よりも大きいことを特徴とする。
【００１７】
上記課題を解決する本発明の請求項４記載の発明は、インク滴を吐出して印刷を行なうインクジェットヘッドを備えたインクジェット式印刷装置であって、インク滴を光学的に検出して吐出特性データを求める手段を設け、該手段によりインク滴の速度もしくはインク滴の体積の少なくとも一方の吐出特性データを検出し、当該検出結果を前記インクジェット式印刷装置内に内蔵された記憶装置に蓄積し、前記検出された吐出特性データの経時変化及び吐出回数もしくは使用時間から、吐出特性を制御して所定の範囲に入れることができる限界となるインクジェットヘッドの寿命を予測することを特徴とする。
【００１８】
また、前記インクジェットヘッドは、インクを蓄える圧力室と、電気信号の印加により前記圧力室内に圧力変動を発生させる圧電素子と、前記圧力室の壁面の少なくとも一部を形成し、前記圧電素子が連結されている振動板と、前記圧力室にインクを供給するインク供給口と、該インク供給口にインクを供給する共通インク流路と、インク滴を圧力室から噴射するノズルと、前記圧電素子を固定する圧電素子固定板等によって構成されることを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面を参照して説明する。
【００２０】
図１、２は、それぞれ本発明で用いたインクジェット式印刷装置の斜視図及び上面図である。１はインクジェットヘッド、２はインク滴、３はレーザ光源、４は検出装置、５ａ、５ｂはレーザ光、６はクリーニングユニット、７はゴム製のワイパ、８はノズル吸引用のポンプ、９はクリーニングユニットとポンプをつなぐチューブ、１０は印刷用紙、１１はプラテンである。
【００２１】
図３は、インクジェットヘッド１のノズル１３の配列の一例である。
【００２２】
本発明の例では、ライン方式のインクジェット印刷装置にて説明する。
【００２３】
印刷を行う場合、インクジェットヘッドは図２に示す位置１ａから位置１ｂに移動して固定され、印刷用紙１０が矢印の用紙走行方向に流れる。
【００２４】
吐出特性データを検出する場合には、インクジェットヘッドの所定のノズルが、図１、２に示す光源３と光源からの光を検出する検出装置４とを結ぶレーザ光５ａ、５ｂ上に移動し、インク滴を吐出させる。ここでレーザ光を選択した理由は、レーザ光はレンズを用いて微小なサイズに集光することが可能で、しかも散乱しにくいので、任意の幅のスリットを通すことにより、任意のほぼ均一な幅の光がインク滴と交差する部分を通って、検出部に達することができ、本発明のようなインク滴の吐出特性データを求める手段に用いる光として適しているためである。
【００２５】
また、ノズルのクリーニング動作のひとつであって、不吐出の原因となるノズル内の気泡や増粘インクを排出させるために、ノズルからインクを吸引する吸引パージを行う場合は、インクジェットヘッド１を１ａに移動して固定し、図示しないゴムキャップを持ったクリーニングユニット６を移動させてインクジェットヘッド１に密着させ、チューブ９を介してポンプ８でノズルからインク及び気泡を排出させる。
【００２６】
ノズルクリーニングのもう一つの動作であるワイピングは、インクジェットヘッドが１ａから１ｂあるいはその逆に移動する際に、ワイパ７がインクジェットヘッド１のノズル面１３に接触する位置まで上昇してノズル面に付着した、不吐出の原因となる紙粉等の異物またはインクを拭取る。
【００２７】
その他のクリーニング方法として、気泡や増粘インクを排出させるために図示しないポンプでインク供給側から加圧する加圧パージやノズル内のメニスカス表面に形成された増粘したインクの膜を破壊するために、吐出のためのエネルギー発生部材を繰返し動作させる方法も行なうことができる。
【００２８】
次にインク滴を光学的に検出する手段について説明する。図４、５、６において光源３は波長が６３０ｎｍの連続波を発振するＨｅ−Ｎｅレーザを用い、その出力は３０ｍＷとした。図示しないレンズ、及び図５に示すスリット１４ａ、１４ｂを通して、レーザ光を光源から取り出す。スリットのサイズは、幅ｄ_２を１００μｍ、高さｈを１０μｍとした。レーザ光の幅及び高さもスリットのサイズに準じたものとなる。
【００２９】
レーザ光を側面から見た図４では、光は線状であり、上面から見た図６では平面状になる。後述するインク滴体積を求める方法において、レーザ光の面の幅は、交差するインク滴の軌跡と直角方向の径よりも大きい必要がある。この為、レーザ光の幅ｄ_２'を１００μｍとすれば、一般的に使われている印刷密度３００ｄｐｉ用のインク滴の軌跡と直角方向の径の約５０μｍに対し、十分な大きさを持つ。ただし、インク滴がレーザ光を遮ぎる際の光量の減少量を検出して吐出特性データを求める本装置の都合上、不必要にレーザ光の幅を広げることは、検出精度の面で好ましくない。また、検出装置４に設置され、レーザ光を検出するセンサには、図示しないフォトダイオードを用いた。
【００３０】
続いて、各ノズルのインク滴の吐出特性データを求める方法を説明する。最初に吐出の有無の検出は、図４においてインクジェットヘッド１から矢印の方向にインク滴２を吐出させ、レーザ光５ａまたは５ｂをインク滴が遮るか否か、つまり光量が減少するか否かで判断する。検出装置４で検出する光量が吐出によって減少しない場合、そのノズルは不吐出と判断する。
【００３１】
次に、インク滴２の速度は、インクジェットヘッド１からインク滴２を吐出し、インク滴２がある一定の距離ｄ_１をもつレーザ光５ａと５ｂを遮る時間差から求める。例えば、吐出後、インク滴の先端がレーザ光５ａを遮った時間をＴ、５ｂを遮った時間をＴ'として、レーザ光５ａと５ｂ間の距離をｄとすると、インク滴の速度ｖは、ｖ＝ｄ_１／（Ｔ'−Ｔ）となる。
【００３２】
一方、インク滴体積は図７、８に示す方法で求める。図７は図６のａ−ａ'断面を示し、インク滴吐出後の均等に区切った任意の経過時間ｔ１〜ｔ９のときのインク滴とレーザ光５ａの位置関係を示すものである。
【００３３】
例えば、図７で、時間ｔ２〜ｔ８においてレーザ光５ａを遮るインク滴の幅は、それぞれＡ−Ａ'〜Ｇ−Ｇ'であり、その幅に応じて図４、６に示す検出装置４で検出される光量が減少する。図８は、検出装置４で検出したｔ１〜ｔ９の各時間における光量の減少量及び前述した方法で求めたインク滴の速度から、インク滴の軌跡と平行な方向のインク滴の断面形状を求めたものである。プロットした各点の横方向の座標は、インク滴に遮られたことによる光量の減少量から、インク滴が左右対象と仮定して求めたものである。縦方向の座標は、インク滴の速度から、ｔ１からｔ９の各時間の間にインク滴が移動する距離を計算し求めた。
【００３４】
このようにプロットした点を繋いで、仮想的にインク滴の軌跡と平行な方向のインク滴の断面形状２'を求めた。そして、インク滴の軌跡と直角な方向のインク滴の断面は円形と仮定して、インク滴の体積を求めた。
【００３５】
図９に、吐出検出の動作シーケンスを示す。まず、吐出検出するノズルを選択し、そのノズルを検出可能位置まで移動する（Ｓ１００）。通常は、端のノズルから順次１本ずつ検出する。次に、レーザを発光し、インク滴を検出可能な状態とする（Ｓ１０１）。次に、選択したノズルに標準とする駆動波形を設定して（Ｓ１０２）、１発もしくは所定の回数吐出させる（Ｓ１０３）。１発のみ吐出する場合はその１発の吐出の有無を検出し、所定の回数吐出する場合は、任意のＮ発目の吐出の有無を検出させる（Ｓ１０４）。
【００３６】
吐出しているか否かの判定（Ｓ１０５）の結果、インク滴が吐出していない場合は、インクジェットヘッドのクリーニング動作を行い（Ｓ１０６）、インク滴が吐出するまで、クリーニング（Ｓ１０６）と吐出（Ｓ１０３）と吐出検出（Ｓ１０４）を繰返す。一例として、クリーニング動作は、ワイピングを行なった後、吸引パージを行ない、再度ワイピングを行なう。
【００３７】
判定（Ｓ１０５）の結果、吐出している場合は、インク滴の吐出特性データを解析する（Ｓ１０７）。インク滴速度及び体積が所定の範囲内か範囲外か判定し（Ｓ１０８）、範囲外の場合は、吐出特性データに基いて駆動波形を調整して（Ｓ１０９）、再度吐出させて（Ｓ１１０）、吐出検出（Ｓ１１１）を行ない、再度吐出特性データを解析する（Ｓ１０７）。この吐出特性データが所定の範囲に入るまで、駆動波形調整（Ｓ１０９）と吐出（Ｓ１１０）と吐出検出（Ｓ１１１）を繰返し、所定の範囲に入れば吐出検出を終了（Ｓ１１２）とする。
【００３８】
図１０は、本発明で用いたインクジェットヘッドのノズル部の構成を示す断面図である。このインクジェットヘッドは、入力信号に応じてインクを噴射することにより記録を行うことができる。１３はノズル、１５は圧力室、１６は振動板、１７は圧電素子、１８は圧電素子固定板、１９は共通インク供給路２０と圧力室１５とを連結し、圧力室１５へのインク流入を制御するリストリクタ、２０は共通インク供給路、２１はリストリクタ１９を形成するリストリクタプレート、２２は圧力室１５を形成する圧力室プレート、２３はノズル１３を形成するノズルプレート、２４は共通インク供給路プレート、２５はフィルタである。
【００３９】
リストリクタプレート２１、圧力室プレート２２、共通インク供給路プレート２４は、例えばステンレス材から作られ、ノズルプレート２３はステンレス材または電鋳法で作製可能なニッケル材から作られている。また、圧電素子固定板１８はセラミックス、ポリイミドなどの絶縁物から作られている。
【００４０】
インクは上流から下流へ向かって、図示しないインクタンクから共通インク流路２０、リストリクタ１９、圧力室１５、ノズル１３の順に流れる。
【００４１】
圧電素子１７は電位差が生じると伸長するように取り付けられている。このため、圧電素子１７の収縮時においては、振動板１６は図中下方へ縮み、これによって圧力室１５内にインクが充填され、次いで再び電位差が生じると圧電素子１７は復元し、振動板１６もこれに追従して変形する。そのため、インク滴がノズル１３から噴射される。
【００４２】
次に、インク滴を吐出するためのエネルギー発生部材である圧電定数Ｄ３３型の圧電素子の駆動波形について説明する。図１１に基本的な駆動波形の例を示す。本波形においては、吐出待機時にはＶ_１の電圧を印加しておき、吐出時には電圧をＶ_０に変化させ、所定の時間Ｔ_０〜Ｔ_１の間保持した後、再び電圧をＶ_１に戻すものである。ここでＶ_１とＶ_０の電圧差を駆動電圧と定義する。またＴ_０〜Ｔ_１までの時間を駆動パルス幅と定義する。
【００４３】
続いて、インク滴速度及び体積を駆動波形によって調整する方法の一例を説明する。
【００４４】
図１２は、本発明に用いたインクジェットヘッドの圧電素子に４０Ｖの駆動電圧を印加した場合の駆動パルス幅とインク滴速度の関係を示したもので、同じ駆動電圧でも駆動パルス幅によってインク滴の速度が変わることが分かる。
【００４５】
図１３は、駆動パルス幅８、９、１０μｓにおける駆動電圧とインク滴速度の関係を示したもので、それぞれのパルス幅において駆動電圧とインク滴速度が比例関係にあることが分かる。
【００４６】
図１４は、駆動パルス幅８、９、１０μｓにおける駆動電圧とインク滴体積との関係を示したもので、駆動電圧とインク滴体積がほぼ比例関係にあることが分かる。
【００４７】
図１２、１３、１４から明らかなように、駆動波形でインク滴の速度または体積を変えるには、駆動電圧と駆動パルス幅のいずれかあるいは両方を調整すれば良い。インク滴の速度のみ調整するのであれば、駆動パルス幅は一定として、駆動電圧のみを調整すれば良い。
【００４８】
次に、インク滴の速度を一定にして、インク滴体積を調整する条件の例を説明する。
【００４９】
【表１】

【００５０】
表１は、駆動パルス幅と駆動電圧を調整して、インク滴速度を一定にしたままインク滴を変える条件の一例を示したものである。
【００５１】
表１では、駆動パルス幅と駆動電圧を調整して、インク滴速度を１０ｍ／ｓ一定としたままで、インク滴体積のみを３４〜４８ｐＬまで可変させている。このように駆動パルス幅と駆動電圧を調整して、インク滴速度及び体積を制御することが可能である。
【００５２】
なお、前述した方法で求めた各ノズルの吐出特性データは、本発明で用いたインクジェット式印刷装置に内蔵した図示しない記憶装置に蓄積される。
【００５３】
従って、圧電素子の劣化あるいはインクジェットヘッドの組立てに用いた接着剤の劣化等で、標準とする駆動波形で比較してインク滴速度が遅くなるかあるいはインク滴体積が少なくなる等の経時的な変化が見られる場合、それまでの吐出回数もしくは使用時間から、吐出特性を制御して所定の範囲に入れることができる限界にいつ達するか推測できる。つまり、吐出特性の経時的な劣化が始まった場合、ヘッドの寿命を予測することが可能となる。
【００５４】
【発明の効果】
インク滴を吐出するインクジェットヘッドと、インク滴を光学的に検出し前記インク滴の吐出特性データを求める手段と、前記インク滴を吐出するノズルの駆動波形を調整する手段と、インクジェットヘッドをクリーニングする手段とを備え、インク滴が検出されない場合つまり不吐出の場合は、自動的にヘッドをクリーニングして再度吐出検出を行ない、インク滴が検出されるまで吐出と吐出検出とクリーニングを繰返す。インク滴が検出された場合、吐出特性データであるインク滴の速度または体積を求め、所定のインク滴速度または体積が得られない場合は、その吐出特性データに基き駆動波形を調整し、吐出特性データが所定の範囲に入るまで、吐出と吐出検出と駆動波形調整を繰返す。その結果、印刷において、ドット抜けがなく、しかも最適なインク滴を吐出でき、常に印刷品質の高画質化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で用いたインクジェット式印刷装置の斜視図。
【図２】本発明で用いたインクジェット式印刷装置の上面図。
【図３】本発明で用いたインクジェットヘッドのノズル配列の一例を示す図。
【図４】本発明で用いた吐出特性を求める手段のインク滴の吐出の有無及び速度を求める方法を示す図。
【図５】本発明で用いた吐出特性データを求める手段において、レーザ光を取り出すスリットを示す図。
【図６】本発明で用いた吐出特性を求める手段において、レーザ光を上から見た図。
【図７】本発明で用いた吐出特性データを求める手段において、インク滴の体積を求める方法で、レーザ光を遮るインク滴の幅を示す図。
【図８】本発明で用いた吐出特性データを求める手段のインク滴の体積を求める方法で、図７の結果からインク滴の軌跡方向の断面形状を求めた図。
【図９】本発明の吐出検出方式を示すシーケンス図。
【図１０】本発明で用いたインクジェットヘッドの断面図。
【図１１】インクジェットヘッドのエネルギー発生部材である圧電定数Ｄ３３型の圧電素子に印加する駆動波形の図。
【図１２】本発明で用いたインクジェットヘッドの駆動パルス幅とインク滴速度の関係を示す図。
【図１３】本発明で用いたインクジェットヘッドの駆動電圧及び駆動パルス幅とインク滴速度の関係を示す図。
【図１４】本発明で用いたインクジェットヘッドの駆動電圧及び駆動パルス幅とインク滴体積の関係を示す図。
【符号の説明】
１はインクジェットヘッド、２はインク滴、３はレーザ光源、４は検出装置、５はレーザ光、６はクリーニングユニット、７はワイパ、８は吸引パージ用ポンプ、９はチューブ、１０は印刷用紙、１１はプラテン、１２はインクジェットヘッド移動用ガイド軸、１３はノズル、１５は圧力室、１６は振動板、１７は圧電素子、１８は圧電素子固定板、１９はリストリクタ、２０は共通インク供給路、２１はリストリクタプレート、２２は圧力室プレート、２３はオリフィスプレート、２４は共通インク供給路プレート、２５はフィルタである。

Claims

インク滴を吐出して印刷を行なうインクジェットヘッドを備えたインクジェット式印刷装置であって、平面状で互いに平行な第１の光線と第２の光線を出射する光源と、前記第１の光線と第２の光線を検出する光検出手段を備え、前記インク滴が前記第１の光線を通過してから第２の光線を通過するまでの時間を計測することによりインク滴の速度を測定すると共に、前記第１あるいは第２の光線の少なくとも一方において、所定時間毎にインク滴が光線を遮る量を夫々測定し、これらの測定結果からインク滴の吐出方向における断面形状を求めると共に、インク滴の吐出方向と直角な方向のインク滴の断面を円形と仮定して当該インク滴の体積を算出し、この算出された体積及び前記インク滴の速度に基づいて前記インク滴を吐出するノズルの駆動波形を調整する手段と、不吐出ノズルの吐出回復のためにインクジェットヘッドをクリーニングする手段を備えることを特徴とするインクジェット式印刷装置。
前記第１の光線及び前記第２の光線はレーザであ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。
前記第１の光線及び前記第２の光線はスリットを通して取り出し、このスリットから取り出された前記第１の光線及び前記第２の光線は、前記スリットの出口の幅及び高さにより制御された平面状の光であり、かつ第１の光線及び前記第２の光線の面の幅は、インク滴吐出の軌跡に直角な方向のインク滴の径よりも大きいことを特徴とする請求項１または２記載のインクジェット式印刷装置。
インク滴を吐出して印刷を行なうインクジェットヘッドを備えたインクジェット式印刷装置であって、インク滴を光学的に検出して吐出特性データを求める手段を設け、該手段によりインク滴の速度もしくはインク滴の体積の少なくとも一方の吐出特性データを検出し、当該検出結果を前記インクジェット式印刷装置内に内蔵された記憶装置に蓄積し、前記検出された吐出特性データの経時変化及び吐出回数もしくは使用時間から、吐出特性を制御して所定の範囲に入れることができる限界となるインクジェットヘッドの寿命を予測することを特徴とするインクジェット式印刷装置。
前記インクジェットヘッドは、インクを蓄える圧力室と、電気信号の印加により前記圧力室内に圧力変動を発生させる圧電素子と、前記圧力室の壁面の少なくとも一部を形成し、前記圧電素子が連結されている振動板と、前記圧力室にインクを供給するインク供給口と、該インク供給口にインクを供給する共通インク流路と、インク滴を圧力室から噴射するノズルと、前記圧電素子を固定する圧電素子固定板等によって構成されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載のインクジェット式印刷装置。