JP2005178369A - 記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 記録ヘッドの温度変動に伴って、インク吐出量が変化する。
【解決手段】 記録ヘッドに、ヘッド駆動電源の出力電圧を設定するための基準電圧源を設け、この基準電圧源の電圧の温度特性をもたせる。記録装置に備えられたヘッド駆動電源回路はこの基準電圧を用いて出力電圧を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、記録ヘッドを用いて記録を行う記録装置に関するものである。

サーマル方式のインクジェット記録装置は、発熱抵抗体（ヒーター抵抗）にパルス電圧を印加し、ヒーター抵抗と隣接したインク室のインクを瞬間的に沸騰させて生じた気泡の膨張によって、インク吐出口からインクを吐出することによって記録する。したがって、一定量のインクを吐出するために必要な駆動エネルギーは、インク温度や記録ヘッドの温度によって変化する。逆に、常に一定の駆動エネルギーをヒーター抵抗に供給した場合には、環境温度の変化や連続的な使用による記録ヘッドの温度上昇が生じ、インク吐出量が変動してしまい、記録される画像の濃度や色調が変わり画像の品位が低下してしまう。

このような画像の品位の低下を避けるために、図９に示すように記録ヘッド５０の半導体素子５２（以下にヒーターボードと呼ぶ）内に温度検出素子を設け、記録ヘッド温度を検出し、検出温度に応じて駆動パルスのパルス幅を調整するような方法がとられている。上記調整手段は、概略以下のような構成となっている。記録ヘッドに設けた温度検出素子は、たとえばダイオード５７であり、ダイオードに一定の電流を流した時の順方向電圧ＶＦをＡ／Ｄコンバータ１３に入力しデジタル量に変換して、順方向電圧ＶＦの温度による変化量を検出する。記録ヘッドの許容温度範囲内で、検出温度は１段階あたり１０〜１５℃として、４段階程度に分割されている。この温度範囲内でヒーター抵抗を駆動する駆動パルス信号のパルス幅テーブルを切り替えて、温度によるインク吐出量の変動を抑えている。

また、記録ヘッドが低温（０℃〜１５℃）の場合には、インクの粘度が高いため、所定のインク吐出量を確保するために、予備加熱用のプレパルスを加えたダブルパルス駆動を行うこともある。このように、記録ヘッドの温度によって、パルス幅を制御して記録動作を行うが、一例として表１に示すように温度に応じて、駆動パルスのパルス幅を異ならせる制御を行う。
特開平５−３１９０５号公報

しかしながら、上述した記録装置及びその制御においては以下のような課題があった。
（１）記録ヘッドの温度データをデジタル量に変換するＡＤコンバータを必要とし、記録装置本体側のコントローラによって、温度変動をある時間間隔で検出し、駆動パルステーブルの切換を行うなど、複雑な制御が必要である。製品コストを抑えるために検出温度の分解能は、例えば４段階程度となっている。したがって、記録ヘッドの温度が変化していく過程で、駆動パルスの切換が行われる瞬間では、ヒーター抵抗５４に印加される駆動エネルギーが不連続に変化し、その結果インク吐出量のばらつきの原因になっている。
（２）記録装置の高速化、高精細化が進むに従い、記録ヘッドノズル数の増大、および吐出周波数のアップが必要となってくる。これによって、ヒーターボードの製造ばらつきを補正するため、あるいは上述の温度変動に伴う駆動エネルギーを補正するために、１つの駆動パルスにおいて変更可能なパルス幅に制約が生じてきている。特に、低温時において、駆動パルスとして使用しているダブルパルスのパルス幅の変更がより難しくなっている。

上記の課題を解決するために本発明の記録装置は、記録ヘッドを用いて記録動作を行う記録装置であって、前記記録ヘッドを駆動する電圧を設定するための基準電圧を出力する基準電圧回路を前記記録ヘッドに備え、前記記録装置に、前記記録動作のための電力供給を行う電源回路と、前記基準電圧回路から出力される前記基準電圧に基づいて、前記電源回路から出力される電圧を補正して前記記録ヘッドに供給する電圧補正回路とを備え、前記基準電圧回路から出力する電圧の温度特性は、記録ヘッドの温度変動による吐出量変化を抑制する特性であることを特徴とする。

以上説明したように、本発明による記録装置およびその制御方法により、駆動パルスのパルス幅を変更せずに、記録ヘッドへのエネルギー供給を補正することができ、記録ヘッドの制御の負荷が軽減することができる。また、記録ヘッドの温度を検出する構成も不要となり記録装置のコストダウンも実現できる。

図１は、本発明の実施形態における記録装置（プリンタ）の回路の概要を示す。この図１は、電源から記録ヘッドへの電力供給、制御のための信号を示している。１０は記録装置の回路ブロックである。１１はホストコンピュータ（不図示）から受け取ったプリント信号に基づいてプリンタの動作を制御するコントローラである。

１２はプリンタのメインの電源装置（以下本体電源と呼ぶ）である。２０はキャリッジ基板である。このキャリッジ基板は、記録ヘッドを搭載するキャリッジユニットに設けられている。２１はキャリッジ基板に設けた記録ヘッドへ電力を供給するための電源回路である。

この電源回路２１は、電源ライン１０１を介して本体電源１２が生成した電圧を入力し、記録ヘッドからの情報に基づいて入力した電圧を調整する。そして、電源回路２１は、電源ライン１０５を介して電圧ＶＨを記録ヘッド５０に対して出力する。なお、１０２と１０６はグランド線である。この電源回路２１の一例として、降圧形ＤＣ／ＤＣコンバータの構成とする。５０は記録ヘッドであり、キャリッジユニットに搭載され、容易に取り外し（着脱）可能な構造となっている。

ここで記録ヘッドとは、ヒーターボード５２、不揮発性メモリ５１、インクタンクやインクの流路等を一体として形作られたユニットのことを表す。このヒーターボード５２は、抵抗発熱体５４、スイッチ素子５５、ロジック回路５３、基準電圧源（基準電圧回路）５６等の回路を同一のシリコン基板上に形成したものである。そして、黒インク用とカラーインク用など複数のヒーターボードが設けられる。図１は、説明を簡単にするために、記録ヘッド５０には１つのヒーターボードを記載する。

記録ヘッドに備わっている複数の記録素子の１つを駆動するために必要な電気エネルギーは数μＪであり、これをおおよそ１μ秒の時間、抵抗ヒーターにパルス電力として印加することによって、ノズルからインクを飛翔させることが可能となる。このインクが、被記録媒体に着弾し、画像が形成される。

ここで、インクの吐出量が常に一定になるようにするためには、このエネルギーをヒーター抵抗に過不足なく供給することが必要となる。ところが、個々のヒーターボードには、ヒーター抵抗値のばらつきや、ヒーター抵抗体とインク液室との間の絶縁膜や、保護膜の厚さのばらつき等、製造プロセスで生じるばらつきが有る。

このため、所定のエネルギー量を供給するために、例えば、記録ヘッドの駆動パルスのパルス幅を一定にして、一定のヘッド駆動電圧を印加（供給）しても、インクの吐出量を一定にすることができない。したがって、個々のヒーターボードの製造プロセスばらつきによって生じるインク吐出特性の違いを検出し、その特性に応じて、駆動電圧を調整（変更）し、最適な電気エネルギーをヒーター抵抗に加えるような吐出量制御を行っている。

図１では、電源回路２１から所定のヘッド駆動電圧ＶＨを出力し、記録ヘッド５０に設けられた不揮発性メモリ５１に書き込まれた駆動パルス幅データに基づいて、記録装置のコントローラ１１からパルス幅が調整された駆動パルスが出力され、記録ヘッドが駆動する。

この不揮発性メモリ５１には、上述したようにヒーターボードの特性のばらつきに関する情報が格納されており、この情報に基づいて、記録ヘッドを駆動するパルス幅の情報が決められる。

なお、このほかにも、駆動パルス幅データは、記録装置が記録を行う被記録媒体の種類（例えば、普通紙であるかＯＨＰ用紙）あるいは、記録動作モード（例えば、速度優先モードであるか画質優先モード）に基づくものであっても構わない。

この図１に示す構成において、ヘッド駆動電源の出力電圧ＶＨを設定するための基準電圧源５６は記録ヘッドのヒーターボード５２に設けられている。この基準電圧源の電圧Ｖｒｅｆは、ヒーターボードの温度変化に対して、インク吐出量の変化を補正する方向に変化する温度特性をもつものとする。

次に、記録ヘッドのインク吐出量とヘッド温度との関係と温度変動を補償するための構成について説明する。

記録ヘッドのインク吐出量は前述のように、ヘッド製造時のプロセスばらつきに起因した変化のほかに、ヒーターボードの温度やインク温度の変動に伴って変化する。この様子を図３に示す。図３でインク吐出量に代わりインクを加熱することによって生じる発泡量のヒーターボード温度に対する特性を示す。発泡量が一定であれば、インク吐出量も一定となることは明らかである。

ここで、図３および図４に示す特性はヒーター抵抗に印加する駆動エネルギーは一定値である場合のものである。サーマル方式のインクジェット記録装置では、加熱によりインクは約３００℃で沸騰し気泡となる。この気泡の膨張エネルギーにより、液室内のインクを飛翔させることによって記録用紙などの被記録媒体に記録を行っている。

図４は規定の発泡量を得るために必要なエネルギーに対する過不足を示している。図の縦軸は２５℃の時のエネルギー値で規格化して表示している。ヒーターボード温度が高くなると駆動エネルギーが過剰となり、発泡量も増大する。一方、ヒーターボード温度が低くなると駆動エネルギーが不足となり発泡量が減少してしまう。図４において、２５℃における発泡量を規定値とすると、例えば０℃では、記録ヘッドを駆動するためのエネルギーが約１０％不足しており、逆に、５０℃では、記録ヘッドを駆動するためのエネルギーが約１０％過剰である。

この発泡量を一定に保ち、環境温度の変動や印刷途中のヒーターボードの昇温によって発生する画像の濃度変化や色調の変化を抑制するためには、図４に示すヒーターボードの温度に応じて生じる過不足エネルギーを補正することが必要になる。この駆動エネルギーの調整するために、温度に応じて変化する基準電圧源をヒーターボード内に設け、この電圧値を基準として、記録ヘッドを駆動する電圧値を求め、電源回路から出力（供給）された電圧を求めた電圧値に変更する。

次に、上述した基準電圧源の温度特性と電源回路の出力電圧との関係、および、ヒーター抵抗に印加される駆動エネルギーとの関係を説明する。

図１に示す電源回路２１は降圧形チョッパー回路である。ヒーターボード５２に設けられた基準電圧Ｖｒｅｆは電源ライン１０６を介して、電源回路２１に入力される。１０８はグランドラインである。

そして、この基準電圧Ｖｒｅｆは抵抗Ｒ３０、Ｒ３１で分圧され、電圧検出用差動アンプ２９の＋端子に入力される。差動アンプ２９の−端子には、電源の出力電圧ＶＨが抵抗Ｒ２７、Ｒ２８で分圧されて入力される。電源制御回路２３は差動アンプの誤差信号を受け、差動アンプの入力信号の差がゼロとなるようにスイッチ素子２２の時比率を制御する。

したがって、電源回路２１の出力電圧ＶＨは以下の式で決定される。

出力電圧ＶＨの温度特性は、上記式を温度で微分して

と表せる。

ここで、各抵抗の温度係数を０とすれば、出力電圧の温度特性は基準電圧Ｖｒｅｆの温度特性に比例する。また、ヒーター抵抗に印加される駆動エネルギーＥおよび、駆動エネルギーの温度特性は

と表せる。ここで、Ｒｈはヒーター抵抗の抵抗値、ｔｐｗは駆動パルス幅である。

以上の特性を図６、図７、図８に示す。各図の縦軸の値については後で説明する。図８で示した記録ヘッドに供給される駆動エネルギー量の調整により、図４に示した発泡の過不足エネルギー量の特性とバランスがとれれば、温度変化によるインク吐出量の変化をゼロに近づけることができる。たとえ、エネルギーの過不足量を小さくできれば、インク吐出量の変化も小さくでき、インク吐出量の変化が原因となる画像品位の劣化を軽減できる。

また、このような構成により、従来のような非連続な駆動エネルギーの変更がなされることなく、図８に示すように、記録ヘッドに印加する駆動エネルギーを連続的に変化することができる。このことは、従来ならば、印加する駆動エネルギーの変化点（変更する温度）において、インクの吐出量のギャップが生じ、このギャップが無視できないほど大きくなる場合もあったが、本実施の形態では、インクの吐出量のギャップを基本的に無くすことができる。

また、本実施の形態では、温度変化に応じて駆動パルスのパルス幅を調整することが必要ない。このために、温度を検出する処理、温度に応じたパルス幅のデータの取得処理、パルス幅データの設定処理などが不要となる。このことは、コントローラが実行すべき処理数の削減となり、コントローラの制御負荷の軽減となる。

次に、図５（Ａ）、（Ｂ）を用いて、ヒーターボードに内蔵した基準電圧源５６に所望の温度特性を持たせる回路を説明する。図５（Ａ）は、基準電圧源回路の概念図である。この回路から出力される基準電圧は、負の温度係数回路から出力された電圧Ｖ_ＢＥ、正の温度係数回路から出力された電圧Ｖ_Ｔ、後述する係数Ｋに基づいて生成される。

図５（Ｂ）は、基準電圧源回路の一例である。出力電圧Ｖｒｅｆは以下のように求められる。

ここで、Ｖ_ＢＥ（Ｑ１）はトランジスタＱ１のベース・エミッタ間電圧、Ｖ_Ｔは熱電圧（＝ｋＴ／ｑ）、Ｉ_Ｃ１はトランジスタＱ１のコレクタ電流、Ｉ_Ｓ１はトランジスタＱ１の飽和電流である。トランジスタＱ１とＱ２を同サイズとすれば、Ｉ_Ｓ１＝Ｉ_Ｓ２であり、ＩＣ１とＩＣ２の比はＲ１に対するＲ２の比で表せる。したがって、

となる。ここで、

とする。係数Ｋは抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３によって決まる定数である。基準電圧の温度特性は（１）式を温度で微分し、

と表せる。所望の温度特性を得たい場合は、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３によって決まるＫを決定すればよい。

一例として、図６に示した温度特性（−１．５ｍＶ／℃）を得る場合には、Ｋ＝０．５／０．０８６≒５．８となるようすればよい。このとき、Ｖｒｅｆ≒０．７＋０．１５＝０．８５［Ｖ］となる。

図７のヘッド駆動電圧ＶＨは、２５℃における定格電圧が２０Ｖとして、上記温度特性を有する基準電圧Ｖｒｅｆを基準にして得られるヘッド駆動電圧の特性である。図８の印加エネルギーはヒーター抵抗Ｒｈ＝１００Ω、駆動パルス幅ｔｐｗ＝１μｓとしたときの温度特性である。図８の印加エネルギーの特性が図４の過不足エネルギーの特性を補償するように、基準電圧Ｖｒｅｆの温度特性を選べばよく、この例では、Ｖｒｅｆ≒０．８５Ｖ、温度特性を−１．５ｍＶ／℃とする場合の値を示した。

インク吐出量の温度特性は、記録ヘッドの形状、特に放熱構造によって決まってくる。したがって、記録ヘッド（記録ヘッドの種類）ごとにインク吐出量の温度特性を調べ、最適な補償ができるよう、基準電圧源の温度特性を決定するようにすればよい。

なお、図６〜図７に記載されている特性は、直線で示されているが、曲線で示される特性でも構わない。

また、図６に記載されている特性以外に、図１１のような特性でも構わない。この場合、記録ヘッドの駆動電圧の温度特性は図１２のようになる。記録ヘッドへの投入エネルギーを一定にする制御を行なう場合においては、記録ヘッドから吐出されるインクの量を一定にするために、記録ヘッドの温度が上昇すると基準電圧が上がるような特性を持たせることで、記録ヘッドの温度が変化しても、インクの吐出量を一定にすることができる。

この図５（Ｂ）の回路は一般にバンドギャップ基準電圧回路と呼ばれている。この回路は、例えばバイポーラトランジスタ（あるいはダイオード）を利用し、バンドギャップ電圧を利用した回路である。電圧Ｖｃｃは電源回路２１から供給される。

図１０は、本実施の形態で説明した記録装置の斜視図である。１００５は記録ヘッドであり、キャリッジ１００４上に搭載されてシャフト１００３に沿って長手方向に往復運動可能となっている。記録ヘッドより吐出されたインクは、記録ヘッドと微小な間隔をおいて、プラテン１００１に記録面を規制された被記録媒体１０２に到達し、その上に画像を形成する。

記録ヘッドには、フレキシブルケーブル１０１９を介して画像データに応じて吐出信号が供給される。なお、１０１４はキャリッジ１００４をシャフト１００３に沿って走査させるためのキャリッジモーターである。１０１３はモーター１０１４の駆動力をキャリッジ１０４に伝達するワイヤである。また、１０１８はプラテンローラー１００１に結合して被記録媒体１００２を搬送させるための搬送モーターである。記録ヘッドの解像度（記録素子の配列ピッチ）は６００ＤＰＩである。駆動周波数は、１０ｋＨｚである。

＜その他の実施形態＞
以上のように説明した記録装置（電力供給制御装置、電圧制御方法）は一例であり、この構成に限定されるものではない。

例えば、図２では、ヘッド駆動電源回路２１が、ＤＡコンバータ３２を備えている。このＤＡコンバータ３２の基準電圧は、基準電圧源からとる。その際、不揮発性メモリ５１に格納されている記録ヘッドの情報に基づいて、ＤＡコンバータの出力値を補正する構成であっても構わない。

また、図６に記載されている特性は、すべての温度領域で満足する必要はなく、例えば、記録動作状態でとりうる温度領域をカバーしていれば良い。

例えば、ヘッド駆動電源２１は、キャリッジ基板２０に設けられていたが、電圧ＶＨの低下が無視できる場合には、記録装置の基板２０に設けられていても構わない。

また、ヘッド駆動電源２１は、チョッパ形ＤＣ／ＤＣコンバータではなくシリーズレギュレータでもよい。さらに昇圧形のＤＣ／ＤＣコンバータでも構わない。ＡＣ／ＤＣ電源でもよい。

説明の都合で、記録ヘッド５０にはヒーターボード５２は１つしか記載していないが、ヒーターボードが複数あってもよく、この場合には、基準電圧源は各記録ヘッド５０の中に１つだけもつか、または複数の基準電圧源の中から１つの基準電圧源のみを使用して、ヘッド駆動電圧の電圧設定を行ってもよいし、ヒーターボードごとに別々の基準電圧源を使用して、試験装置のヘッド駆動電源の電圧設定と記録装置のヘッド駆動電圧の電圧設定を行ってもよい。

また、抵抗発熱体を使用したサーマル式インクジェット方式の記録装置について記載してきたが、パルス駆動するピエゾ式のインクジェット記録装置でも、適用しても構わない。

なお、記録ヘッドの解像度や駆動周波数は、上述した値に限定するものではない。

本発明の実施形態の記録装置の構成を示す図 本発明のその他の実施形態の記録装置の構成を示す図 記録ヘッドの温度変動に対する発泡量の特性を示す図 記録ヘッドの温度変動に対する過剰エネルギーの特性を示す図 （Ａ）は本発明の実施形態の基準電圧源の概念を表す図、（Ｂ）は本発明の実施形態の基準電圧源の回路構成図 本発明の実施形態の基準電圧の特性を示す図 本発明の実施形態のヘッド駆動電圧の特性を示す図 本発明の実施形態のヘッド印加エネルギーの特性を示す図 従来の記録装置の構成を示す図 本発明の実施形態の記録装置の斜視図 本発明の別の実施形態の基準電圧の特性を示す図 本発明の別の実施形態のヘッド駆動電圧の特性を示す図

符号の説明

１０ 記録装置
１１ コントローラ
１２ 本体電源
１３ ＡＤコンバータ
１４ 定電流源
２０ キャリッジ基板ユニット
２１ 記録装置のヘッド駆動電源
２２ スイッチ素子
２３ ＰＷＭコントローラ
２４ ダイオード
２５ コイル
２６ コンデンサ
２７，２８，３０，３１ 抵抗
２９ 差動アンプ
４０ 可変抵抗
４１ 基準電圧
５０ 記録ヘッド
５１ 不揮発性メモリ
５２ ヒーターボード
５３ ヒーターボードのロジック部
５４ ヒーター抵抗
５５ スイッチ素子
５６ バンドギャップ電圧による基準電圧源
５７ 温度検出用ダイオード
１０１ 入力電源ライン
１０２ ＧＮＤライン
１０３ ヘッドコントロール信号
１０４ 駆動パルス幅設定データ
１０５ ヘッド駆動電源ライン
１０６ ヘッド駆動ＧＮＤライン
１０７ 基準電圧ライン
１０８ 基準電圧ＧＮＤライン

Claims (7)

1. 記録ヘッドを用いて記録動作を行う記録装置であって、
   前記記録ヘッドを駆動する電圧を設定するための基準電圧を出力する基準電圧回路を前記記録ヘッドに備え、
   前記記録装置に、前記記録動作のための電力供給を行う電源回路と、
   前記基準電圧回路から出力される前記基準電圧に基づいて、前記電源回路から出力される電圧を補正して前記記録ヘッドに供給する電圧補正回路とを備え、
   前記基準電圧回路から出力する電圧の温度特性は、記録ヘッドの温度変動による吐出量変化を抑制する特性であることを特徴とする記録装置。
2. 前記基準電圧回路は、負の温度特性を有しバンドギャップ電圧に基づいた電圧を出力する電圧回路と正の温度特性を有する熱電圧をＫ倍する電圧回路とで構成されていることを特徴とする請求項１に記載の記録装置。
3. 前記記録ヘッドは、駆動回路を備え、前記基準電圧回路は、前記駆動回路と同じ半導体素子に設けられることを特徴とする請求項１に記載の記録装置。
4. 前記電圧補正回路は、前記基準電圧回路から出力される電圧値と、前記電圧補正回路の出力電圧の分圧値とを比較する比較回路を備えることを特徴とする請求項１に記載の記録装置。
5. 前記記録装置は、前記記録ヘッドの駆動特性に応じた駆動のための補正情報を記憶する記憶手段とを備えることを特徴とする請求項１に記載の記録装置。
6. 前記補正情報は、前記記録ヘッドに設けられているヒーターボードの特性に関する情報であることを特徴とする請求項５に記載の記録装置。
7. 前記補正情報は、前記基準電圧回路から出力される基準電圧値に関する情報であることを特徴とする請求項５に記載の記録装置。

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