JP2007118297A - インクジェット記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 記録素子の機能が破壊された印刷不全記録素子を有し、該吐出不全記録素子にて描画されるべき印刷データを同一位置、或いは、近傍の位置に記録素子にて描画する補完機能を有するインクジェット記録装置において、不吐補完を行うことによる不吐ノズルの誘発を極力遅らせることを可能とする。
【解決手段】 補完ノズルの残寿命により補完ノズルの使用頻度を決定するようにする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、インクジェット記録装置に関し、詳しくは複数の記録素子を有する記録ヘッドを駆動するための駆動制御方法に関する。

近年、デジタル方式の複写機，プリンタの実用化が急速に進んでおり、特に、デジタル方式のカラープリンタ，カラー複写機は、色調整，画像加工等が容易というデジタルの特徴が生かされるため、カラープリンタ，カラー複写機の分野では主流となりつつある。

これら記録装置の記録方式としては、電子写真方式，インクジェット方式，熱転写方式等、種々の方式があるが、インクジェット方式、例えば、吐出ヒーターの発生する熱によりインク液滴を吐出させるいわゆるバブルジェット（登録商標）方式のような記録方式では、以下に説明する様な問題がある。

図８は、インクジェット方式のフルカラープリンターの構成例を側面から観た装置概要図である。

同図において、記録紙カセット０８０１に格納された記録紙０８０２は、給紙ローラ０８０３によって分離搬送され、レジストローラ０８０４により、搬送のタイミング合わせを行ない、搬送ベルト０８０５によって図中矢印の方向に搬送される。インクジェット方式の記録ヘッド０８０６、０８０７、０８０８、０８０９は、記録紙幅に対応して吐出口を配列したフルマルチヘッドであり、記録紙０８０２の搬送にともなって、ブラック（Ｋ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）の順にインクを吐出しフルカラー画像を記録する。その後、記録紙０８０２は、排紙ローラ０８１０により装置外に排出される。

前記記録ヘッドは、製造プロセス等の製造上のばらつき、或いは経時的な記録ノズルの特性変化によりインク吐出が可能な電力にばらつきを生じるため、記録ヘッドごと、或いは記録ノズルごとに駆動電力を変えることが望まれる。

図５にバブルジェット（登録商標）方式プリンタの液滴吐出エネルギーを発生させる吐出ヒーター構成部の模式図を示す。

図５―Ａは初期状態を示している。基材０５０５の上にヒーター材０５０１とヒーター材０５０１に電力を供給する配線材０５０４が構成され、その上に、蓄熱層０５０３と保護膜０５０２が配置される。ヒーター材０５０１、蓄熱層０５０３、保護膜０５０２は、記録ノズルごとに、製造プロセス等の製造上のばらつきを有している。配線材０５０４からヒーター材０５０１に通電すると、ヒーター材０５０１の発熱により保護膜０５０２上面に接したインク液０５０６を加熱し、発泡現象を発生させてインクを吐出する。これを繰り返すことにより、印刷が行われる。このとき、発泡現象が終了して消泡する場合、キャビテーションにより大きな衝撃が保護膜０５０２上に加わる。キャビテーションによる衝撃が繰り返し加わることにより保護膜０５０２の表面が少しずつ削られ、図５−Ｂに示すように保護膜０５０２は初期時の保護膜表面位置０５１０に対しヒーター材０５０１の上部の厚さが薄くなる。

保護膜０５０２が削れる要因は上記以外にも、インク組成によって削られる場合もある。

このように、初期状態で存在する製造プロセス等の製造上のばらつきによる保護膜厚の差異や、上述したような要因によって生じる保護膜の削れのために、ヒーター材０５０１からインク液０５０６までの距離が短くなると、ヒーター材０５０１に投入する投入エネルギーと発泡に必要な発泡エネルギーの比率（以下、発泡効率と言う）が良くなるため、同じ投入エネルギーを与えるとエネルギー過剰となってしまう。

上述のような発泡効率の差異に対応するための手法としては特許登録０２７１３７９０号公報に示されている様に、記録ヘッドに印加する時間を一定にし、電圧を徐々に変化させながら吐出を行った時に、インクを吐出した最小の電圧値から最適な吐出電力を計測する手法が提案されている。しかしながら、特許登録０２７１３７９０号公報では、記録ヘッドごとの最適な電力を計測するのみであり、記録ノズルごとの発泡効率の差異に対応することはできない。

又、特開平１１−１８８８７２号公報では吐出不良を検出する手段と吐出不良が発生した場合の処理として、吐出ノズルのデータを他ヘッドへ割り振り、印刷画像品位を確保する手段が記載されている。
又、別の従来例としては、特許文献３をあげることが出来る。
特許登録０２７１３７９０号公報 特開平１１−１８８８７２号公報 特許登録３０８３４４２号公報

しかしながら、上記従来例では、以下に述べるような問題点があった。

例えば特許登録３０８３４４２号公報で提案されている方法を用いて、記録ノズルごとに適したエネルギーを投入する場合、記録ノズルのばらつきを軽減するためにヒートパルス信号数を増加させる構成であるため、より精度の高い制御を行なうためにはヒートパルス信号数を更に増加させる必要がある。そのために、記録ヘッド、或いは記録装置全体の信号線数の増加、また、記録ヘッドのサイズ大型化が生じ、コストアップにつながってしまう。

又、特開平１１−１８８８７２号公報では、吐出不良が発生した場合、吐出不良ノズルに対する印刷データを抑止する、或いは、吐出量ノズルの印刷データを他の印刷可能なノズルの印刷データをして振り分ける処理が提案されている。この様に補完ノズルに印刷データを振り分けると、補完を行う特定ノズルの使用頻度が高くなり、特定ノズルの寿命を短くする状態が発生する。

本発明は、上述した従来の問題点を解消するためになされたものであり、不吐ノズルの補完を行う補完ノズルに対して特定のノズルのみ寿命を縮めることなく、補完ノズルの寿命をほぼ平均化し、画像品位を長期間に渡って安定出力を確保するものである。

複数のインク液滴の吐出構造を有した記録素子郡で構成され、インク液滴の吐出機能を有した吐出可能記録素子とインク液滴の吐出機能が破壊された吐出不全記録素子からなるインクジェット記録ヘッドにて画像を描画するインクジェット記録装置において、
吐出不全記録素子の印刷データを吐出不全記録素子の近傍の吐出可能記録素子である補完記録素子へ印刷データを振り分ける手段と、上記補完記録素子の残寿命を比較する手段と、該比較結果より補完記録素子の使用頻度を決定する手段と、該使用頻度を決定する手段により決定された使用頻度に従い印刷データを上記補完記録素子へ分配する機能を備えたインクジェット記録装置であり、又、補完記録素子は吐出不全記録素子の同一ラスター、或いは、同一カラムを描画可能な記録素子、或いは、吐出不全記録素子の同一ラスター、或いは、同一カラムと隣接した描画可能な記録素子である。

本発明によれば、補完ノズルの残寿命により補完ノズルの使用頻度を決定するため、補完ノズルの寿命がほぼ等しくなり、不吐補完を行うことによる不吐ノズルの誘発を極力遅らせることが可能になる。これにより、安定した画像品位での印刷を継続できる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を詳細に説明する。

まず、本実施例を説明する前に、図６および図７を参照して、本実施例の記録ノズルの、使用にともなって生じる液滴を吐出するために必要な最小のエネルギー（以下、吐出閾値エネルギーと記述）の変化について説明する。

図６は、一つの記録ノズルに着目した時の、液滴を吐出した回数と保護膜の厚さの関係を示している。既に述べたように、いわゆるバブルジェット（登録商標）方式の記録方式では、吐出を行なった時に、キャビテーションによる衝撃や、或いはインク組成により、ヒーター上に形成された保護膜の削れが発生する。図６に示すように、吐出を繰り返した回数が増えるにしたがって保護膜の削れ量が増加するために保護膜の厚さは減少する。さらに保護膜の削れが進行して保護膜が完全に削られてしまうとヒーターは故障し、記録ノズルからの吐出が不可能となる。複数の記録ノズルを有する記録ヘッドで記録を行なう場合、その内の一つでも吐出が不可能になってしまうと、記録画像が劣化することになる。したがって、高画質を求める記録装置では、一つの記録ノズルの故障が、記録ヘッド全体の故障として扱われる場合もある。

図７は、一つの記録ノズルに着目した時の、保護膜の厚さと吐出閾値エネルギーの関係を示している。上述したように吐出を繰り返して保護膜の削れが進行すると、ヒーターからインク液までの熱伝導特性が変化して、液滴を吐出させるために必要な吐出閾値エネルギーに変化が生じる。図７に示すように、保護膜の厚さが薄くなると、ヒーターからインク液まで熱が伝わりやすくなるため、吐出閾値エネルギーは減少する。つまり、保護膜が削れて薄くなった記録ノズルは、保護膜の削れていない記録ノズルに比較して、吐出に必要なエネルギーが小さいため、これらの記録ノズルに同等のエネルギーを投入すると、前者の記録ノズルはエネルギー過剰な状態となり、寿命を縮めてしまうことになる。

続いて、図１を参照して、本実施例の構成について説明する。図１は今回の発明のブロック図を示したものである。本構成は不吐ノズル対する不吐補完機能を有する印刷装置での構成に適用可能である。本実施例は、フルラインタイプの記録装置の構成である同一カラムに複数の印刷ノズルを有する構造の記録ヘッドを例に取り説明するが、シリアルプリンタタイプにも適用可能である。図１は同一カラムに第１ノズルと第２ノズルの２個の記録素子を有する構成を例にとって説明するが、第３ノズル以上のノズルを有する場合でも本例は適用可能である。又、補完ノズルは不吐ノズルに隣接するノズルの第１ノズル列と第２ノズル列を用いる構成例である。図１で示すように、印刷データ０１０５は第１ノズル列印刷データと第２ノズル列印刷データのそれぞれに印刷データを分配するための分配手段０１０６により分配される。分配手段０１０６に与えられる分配比率は残寿命計測算出手段０１０１と残寿命比較手段０１０２と使用頻度決定手段０１０３によって決定される。

残寿命計測算出手段０１０１は図６と図７で示される吐出回数と保護膜厚と吐出閾値エネルギーの関係を用いて残寿命を計測算出する手段である。図２で各ノズルの寿命計測手段について説明する。図２において、０２１３は印字メディア、０２１４はメディアの搬送方向、０２１７はバブルジェット（登録商標）ヘッドである。バブルジェット（登録商標）ヘッド０２１７の各ノズルに対する吐出エネルギーを徐々に上げながら、記録メディア０２１３を矢印０２１４方向に搬送していくと、吐出に必要なエネルギー閾値を超えた時点で印字を開始する。閾値を超えた直後は不完全な吐出状態にあり、正常な液滴が吐出できない。そのため、不正吐出状態０２１５となる。その後、吐出エネルギーを上げていくと安定吐出状態０２１６となり、正常な描画が行われる。各々のノズル毎に正常吐出になるエネルギーが異なるため、図２のパターンをスキャナー等の画像読取装置で読み込み、各ノズルの吐出に必要な駆動エネルギーを測定する。印刷終了時点から安定吐出状態０２１６となるまでの時間を逆算すれば吐出安定状態になった時点の吐出閾値エネルギーが算出できる。図２では吐出エネルギーを徐々に上げて吐出に必要なエネルギー閾値を計測するパターンを印刷したが、上記方法とは逆に、初期状態として、吐出に充分なエネルギーを与えておき、徐々にエネルギーを減少していく方法を取ることも可能である。

上記手段により、各ノズルの吐出閾値エネルギーが求められると、図７で示す関係より保護膜厚が算出できる。図７の関係は事前に実験、シミュレーションで評価確認できるので、ほぼ正確に保護膜厚を求めることが出来る。

T ＝ F(E) …（１）
T：保護膜厚 E吐出エネルギー F( )：変換関数
図７の関係をノズル列として表した図が図３−Aである。図３では３２ノズルの例を示してある。図３−Aでは横軸にカラム番号、縦軸に吐出に適した吐出駆動エネルギーを示している。適正吐出駆動エネルギーとは吐出閾値エネルギーにある一定の値を乗算し、安定した吐出を保証した吐出エネルギーのことである。又、図中の白丸は第１ノズル列の初期の適正駆動エネルギー、黒丸は第１ノズル列の経時後の適正駆動エネルギー、白四角は第２ノズル列の初期の適正駆動エネルギー、黒四角は第２ノズル列の経時後の適正駆動エネルギーを示している。初期状態では各ノズルの適正駆動エネルギーは高い状態で安定している。その後、吐出を行うに従い、各ノズルの吐出条件の違い、例えば、キャビテーションの差、ヒーター面積の差、ノズル形状の差等により適正駆動エネルギーが変化し、図３-Aの黒丸のようにバラツキを持つことになる。図３−Aでは縦軸の下方に位置するノズルほど少ないエネルギーで吐出していることを示し、即ち、保護膜厚が相対的に薄いことを意味している。図３−Aでカラム番号１２の第１ノズル０３０９が不吐ノズルを示している。又、不吐ノズル０３０９の補完を行うノズルである補完ノズル郡が０３０８で示した枠内のノズルである。

図３−Bに不吐ノズルを有するカラム番号１２とカラム番号１２に隣接するカラム番号１２と絡む番号１３の状態を用いてその状態を示し、図１の残寿命比較手段０１０２の構成について説明する。図３−B中、カラム番号１２第２ノズルの経時後の適正駆動エネルギーをEA1２−２ ０３１０とすると、式（１）から
T＃（1２−２） ＝ F(EA1２−２) …（２）
T＃（１２−２）：ノズル番号１２第２ノズルの保護膜厚
により、カラム番号１２第２ノズルの保護膜厚が算出できる。同様の手法により補完ノズル郡０３０８の保護膜厚が算出できる。

T＃（１１−１）：ノズル番号１１第１ノズルの保護膜厚
T＃（１１−２）：ノズル番号１１第２ノズルの保護膜厚
T＃（１３−１）：ノズル番号１３第１ノズルの保護膜厚
T＃（１３−２）：ノズル番号１３第２ノズルの保護膜厚
ヒーター寿命を考える場合、ノズル構造物の破壊、ノズルへの異物付着等の要員を除外すると、保護膜厚の厚さがノズル駆動の寿命を決定する。従って、式（１）を用いて算出されたそれぞれのノズルの保護膜厚の厚さがノズル寿命となり、保護膜厚を比較することで残寿命を比較できる。

図１の使用頻度決定手段０１０３は上述した残寿命比較手段０１０２の結果をもって式（３）のように決定される。

η（１1−１） ＝ T＃（１１−１）／ＴＴ …（３）
η（１１−２） ＝ T＃（１１−２）／ＴＴ …（４）
η（１２−２） ＝ T＃（１２−２）／ＴＴ …（５）
η（１３−１） ＝ T＃（１３−１）／ＴＴ …（６）
η（１３−２） ＝ T＃（１３−２）／ＴＴ …（７）
TT ＝ T＃（１１−１）+T＃（１１−２）+T＃（１２−２）+T＃（１３−１）+T＃（１３−２）
η（１1−１）：カラム番号１１第１ノズルの駆動頻度
η（１１−２）：カラム番号１１第２ノズルの駆動頻度
η（１２−２）：カラム番号１２第２ノズルの駆動頻度
η（１３−１）：カラム番号１３第１ノズルの駆動頻度
η（１３−２）：カラム番号１３第２ノズルの駆動頻度
上記例は単純比例でもって駆動頻度を決定したが、任意の関数により駆動頻度を変更することも可能である。使用頻度決定手段０１０３の出力を分配手段０１０６に入力することで実際の印刷データの分配が行われる。

図９-Aカラム番号１２第２ノズルに対するに分配の構成を示す。分配比率は１０％から９０％までの９通りを例に取り説明する。分配テーブルは図９−Bに示す用にカラム番号１２第２ノズルの分配比率を表している。図９−Bのデータの１つの使用頻度は図９−Aのローテーションタイプのシフトレジスタ０９０６へ、図示しないCPUを介して、BUS信号０９０１とWR信号０９０２を介して書き込まれる。これにより分配比率がセットされる。カラム番号１２第１ノズルの印刷DATA信号０９０４にはインク吐出を行う時、真のデータが与えられる。又、カラム番号１２第２ノズルの印刷データ信号０９０９は、シフトレジスタの最右端のビットが偽のとき、且つ、カラム番号１２第１ノズルの印刷DATA信号０９０４が真の時、駆動データとして扱われる。この回路の機能は印字データが真の時、シフトレジスタに格納された分配比率に従い、印刷データを分配することにある。シフトレジスタ０９０６のシフト信号０９０３はDATA信号０９０４が真でCLK信号が真の時の最終立下りタイミングでアクティブになり、シフトレジスタ０９０６はローテーションシフトを行うことになる。

図４はインク液滴を吐出するヒーターボードの電気回路図である。図４の０４１１の抵抗部が図５の０５０１のヒーター材に当たる。印刷データはDATA信号０４０２に乗って、カスケード接続された第１の記憶素子０４０７にCLK信号０４０３のシフトクロックタイミングで順次記憶される。第1の記憶素子０４０７に記憶された印字データはLT信号０４０４の入力により第２の記憶素子０４０８に記憶される。その後、ヒーター０４１１の通電時間を制御するHE信号０４０１信号を与えることにより、ヒーター０４１１はヒータ上インクが発泡し、その発泡力によりインクが吐出される。

このように、各ノズルの残寿命により複数ノズルへのデータ分配比率を決定することにより、各ノズルの寿命を出来るだけ同じにすることが可能になる。

（その他の実施例１）
上述した実施例では、ノズル寿命を算出する手段として図３−BのEA1 ０３１２とEA２ ０３１３を使用したが、他の方法として削れた保護膜厚の比較を行うことにより、残寿命を算出することも可能である。図３−Bで第１ノズルの初期状態の適正吐出エネルギーと経時後の適正吐出エネルギーとの差分ΔE1を用いて削れた保護膜厚の算出ができる。

ΔK＃１ ＝ H(ΔE1) …（６）
ΔK＃１：第１ノズルの保護膜厚の削れ量
上記（６）式に示すように吐出エネルギー変化量ΔE1より保護膜厚の削れ量ΔK＃１を算出できる。同様に、第２ノズルについても式（７）で同様の計算が出来る。

ΔK＃２ ＝ H(ΔE２) …（７）
ΔK＃２：第２ノズルの保護膜厚の削れ量
上記の結果より、保護膜厚の削れ量ΔK＃１と量ΔK＃２を用いて、
η（１） ＝ ΔK＃２／（ΔK＃１ ＋ ΔK＃２） …（８）
η（２） ＝ ΔK＃１／（ΔK＃１ ＋ ΔK＃２） …（９）
η（１）：第１ノズルの駆動頻度 、 η（２）：第２ノズルの駆動頻度
式（８）（９）に示す関数によって駆動頻度を算出することも可能である。

（その他の実施例２）
上記、その他の実施例１では特定ノズルの初期状態の適正吐出エネルギーを用いて吐出エネルギー変化量を算出したが、ノズル数が多く、吐出ノズル毎に初期状態を記憶することが難しい場合には、複数のノズルの平均値を用いて変化量を計算することも可能である。図３−Aの適正駆動エネルギー０３０６は第１ノズルの適正駆動エネルギーの平均値を表している。この値を初期状態の基準としてエネルギーの変化量を算出した図が図３−Bの差分ΔE１M０３０９である。

実施例のブロック図である。 ノズルの残寿命の測定パターンである。 Ａはカラム毎の吐出エネルギー値を示す図、Bはカラム１２とその近傍カラムを描画するノズルの吐出エネルギー値を示す図である。 ヒーターボードの模式図である。 記録ヘッドの吐出ヒーター構成部を示す模式図である。 液滴を吐出した回数と保護膜の厚さの関係を示す図である。 保護膜の厚さと吐出閾値エネルギーの関係を示す図である。 記録装置概要を示す図である。 分配手段の回路例を示す図である。

符号の説明

０１０１ 残寿命計測算出手段
０１０２ 残寿命比較手段
０１０３ 使用頻度決定手段
０１０４ 同カラム他ノズル列印刷データ
０１０５ 印刷データ
０１０６ 分配手段
０１０７ 第１隣接カラム第１ノズル列印刷データ
０１０８ 第１隣接カラム第２ノズル列印刷データ
０１０９ 第２隣接カラム第１ノズル列印刷データ
０１１０ 第２隣接カラム第２ノズル列印刷データ
０２１３ 印字メディア
０２１４ 搬送方向
０２１５ 不正吐出状態
０２１６ 安定吐出状態
０２１７ バブルジェット（登録商標）ヘッド
０３０８ 補完ノズル郡
０３０９ 不吐ノズル
０３１０ カラム番号１２第２ノズル適正駆動エネルギー
０３１１ カラム番号１３第２ノズル適正駆動エネルギー
０３１２ カラム番号１１第２ノズル適正駆動エネルギー
０３１３ カラム番号１３第１ノズル適正駆動エネルギー
０３１４ カラム番号１１第１ノズル適正駆動エネルギー
０４０１ ＨＥ信号
０４０２ ＤＡＴＡ信号
０４０３ ＣＬＫ信号
０４０４ ＬＴ信号
０４０５ ＧＮＤ
０４０６ ＶＨ
０４０７ 第１の記憶素子
０４０８ 第２の記憶素子
０４０９ 論理積
０４１０ トランジスタ
０４１１ ヒーター
０５０１ ヒーター材
０５０２ 保護膜
０５０３ 蓄熱層
０５０４ 配線材
０５０５ 基材
０５０６ インク液
０５１０ 初期時の保護膜表面位置
０８０１ 記録紙カセット
０８０２ 記録紙
０８０３ 給紙ローラ
０８０４ レジストローラ
０８０５ 搬送ベルト
０８０６、０８０７、０８０８、０８０９ 記録ヘッド
０８１０ 排紙ローラ
０９０１ BUS信号
０９０２ WR信号
０９０３ シフト信号
０９０４ DATA信号
０９０５ CLK信号
０９０６ シフトレジスタ
０９０７ 回路素子１
０９０９ 第１ノズルデータ
０９１１ CLK
０９１２ 回路素子３

Claims (3)

1. 複数のインク液滴の吐出構造を有した記録素子郡で構成され、インク液滴の吐出機能を有した吐出可能記録素子とインク液滴の吐出機能が破壊された吐出不全記録素子からなるインクジェット記録ヘッドにて画像を描画するインクジェット記録装置において、
   吐出不全記録素子の印刷データを吐出不全記録素子の近傍の吐出可能記録素子である補完記録素子へ印刷データを振り分ける手段と、上記補完記録素子の残寿命を比較する手段と、該比較結果より補完記録素子の使用頻度を決定する手段と、該使用頻度を決定する手段により決定された使用頻度に従い印刷データを上記補完記録素子へ分配する機能を備えたことを特徴とするインクジェット記録装置。
2. 補完記録素子は吐出不全記録素子の同一ラスター、或いは、同一カラムを描画可能な記録素子であ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. 補完記録素子は吐出不全記録素子の同一ラスター、或いは、同一カラムと隣接した位置を描画可能な記録素子であ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。

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