JP4080000B2 - インク・ジェット印字システム用光学的センサ - Google Patents

Description

技術分野
本発明は、印字システムに関し、より詳細には、マルチカラーにおける動作用の多数のペンを有するインク・ジェット・プリンタおよびプロッタに関する。
背景技術
通常のインク・ジェット・プリンタ、プロッタ、その他印字システムは、紙のシート等の印字可能な表面の上を往復運動するペンを有する。ペンが、そこを通ってインクの滴が表面へと吐出されて所望のパターンを生成することができる、多数のオリフィス（orifice）のアレイを有するプリントヘッドを含む。カラーのインク・ジェット・プリンタは、通常、異なる色のインク（例えば、ブラック、シアン、イエロー、マゼンタ）を含むインク供給容器に各々接続された、４つのプリントヘッドを用いる。このような異なるプリントヘッドは、別個の、交換式のインク・ペン上に含まれていてもよい。フルカラー画像は、各々の異なる色のインクで重なり合ったパターンを連続して印字することによって、印字してもよい。良好な印字出力にするためには、異なる色の画像は精密に整合せねばならない。
現在のプリンタにおいて、異なる色の整合は、それぞれの色で整列パターンを印字し、次に印字パターンの位置を光学的に感知して、公称の位置からのずれの量を判定することによって、行われる。プリンタは、それぞれの色について発射位置を電子的に調節して、結果として得られる出力が整合するようにしている。これは、大きな媒体シート上に印字するプロッタについては特に決定的に重要であり、小さな誤差が蓄積して提供される出力が許容できない可能性がある。
整列パターンの位置を感知するために、現在のプリンタは、往復運動するプリントヘッドに搭載された光学的モジュールを用いる。モジュールは、媒体シートの選択した領域を照明する発光ダイオード（ＬＥＤ）を有する。照明された領域の光は、レンズによって光電検出器上に焦点が合わされる。モジュールが、印字された棒のパターンの上を、シートを横切って走査するにつれて、光電検出器は、集められた光束の瞬時の低減を記録していく。プリンタの電子回路が、プリンタに関するキャリッジの位置を記録するモーション・エンコーダからの電子信号と比較することによって、印字パターンの位置を計算する。
発明の開示
現在のフォトセンサのモジュールにおける第１の欠点は、大きさである。検出器とレンズは選択した領域に垂直な軸方向の光路上になければならず、従って、光源はその光路と角度をなしてオフセットされ斜めに照明されることから、照明器と検出器の配置は巨大な装置ユニットをつくってしまう。照明器は選択した領域からいくらか距離があるので、その遠端は光電検出器から不所望に広く間隔を置いて配置され、巨大な装置ユニットをつくり、キャリッジに搭載された部品については、キャリッジの通路全体に沿って間隔を設けねばならず、特に問題である。このモジュールがインク・ジェットのペンに付け加えられて、キャリッジの走査軸に沿ってキャリッジの幅が増大すると、紙の両端まで感知および印字ができるようにするためには、幅を２倍に増大せねばならない。このようにプリンタが大きくなることは、デスクトップ・プリンタのハウジングの大きさを最小限にするという通常の目標とは正反対のことである。
現在のフォトセンサのモジュールの第２の欠点は、照明の均一と照明の強さとの間のトレードオフ（trade-off）に関係する。選択した領域を均一に照明することは、位置誤差として解釈されるばらつきを防止するのに必要である。均一性を改良するためには、ＬＥＤをより距離を置いて配置し、その光を白色管（white-tube）の穴を通して送ってもよい。しかし、焦点の合っていない光が散乱すると、必要とされるよりも大きい領域が照明され、光束が浪費されるかもしれない。正確に測定するのに有用なコントラストのレベルを得るには、より強い照明で失われた光を補償することが必要であり、そうなると部品コストおよび電力消費量が増大する。ＬＥＤの光を選択した領域上にくっきりと焦点を合わせると、効率はよいが、均一性の面で許容できない。
本発明は、媒体平面にある印字媒体上の印字されたインク・ジェットの画像の特性を識別する光学的センサのモジュールを提供することによって、従来技術の欠点を克服または低減する。モジュールは、媒体平面から間隔を置いて配置したシャシおよび接続された照明源および検出器を有する。画像平面と照明源および検出器の間には、一体的な単一の集合の光学的要素が配置されている。光学的要素は、照明源と媒体平面の選択した領域の間の第１の光路上に配置された第１の光学的特性を有する第１の部分、および、照明源と選択した領域の間の第２の光路上に配置された第１の光学的特性とは異なる第２の光学的特性を有する第２の部分、を有する。光学的要素は、回折を生じる光学部品、フレネルレンズ、および透明のプラスチックで形成された従来技術のレンズを含み、光を選択した領域上に導き、焦点を合わせ、拡散して、効率的に検出器に戻してもよい。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の好適な実施形態によるプリンタの斜視図であり、
図２は、図１のプリンタにおけるセンサのモジュールの拡大側面図であり、
図３は、図１のモジュールの拡大端面図であり、
図４は、図２のモジュールを図３の４−４線で切った拡大断面図であり、
図５は、図２のモジュールにおける光学的部品の拡大断面図である。
発明を実施するための最良の形態
図１は、媒体平面１２内に印字媒体１４のシートを保持する用紙プラテン（platen）を有するインク・ジェット・プリンタ１０を示す。供給メカニズム（図示せず）は、シートをつかんで供給軸１６に沿って動かすローラを有する。フレーム・レール２２に搭載されたキャリッジ２０は、媒体平面の真上を、供給軸と垂直な走査軸２４に沿って往復運動する。キャリッジは、インク・ジェット・ペン２６および光学的センサのモジュール３０を支持する。ペンおよびセンサのモジュールは、両方とも、柔軟性のあるリボンケーブル３４を経由してプリンタの制御回路３２に電気的に接続されている。
図２に示すように、光学的センサのモジュール３０は、平らな長方形の形状を有する射出成型の堅いプラスチックのシャシ３６を含み、シャシには１対の発光ダイオード（ＬＥＤ）のランプ４０、４２、光電検出器４４、および成型したレンズの要素または集合４６が搭載されている。シャシは、下向きに媒体平面と面する下縁５０，および対向する上縁５２を有する。シャシは、上縁の近くに、シャシの垂直軸５６上に配置された段のついた穴５４を規定している。穴は、シャシをキャリッジに固定するねじ用の取り付け穴を提供する。
シャシは、それぞれがＬＥＤ４０、４２のそれぞれの本体をぴったりと収容するような大きさの幅である１対の対照的なＬＥＤ収容チャネル６０、６２を規定している。両チャネルは、光が意図する通路からそれると起こるクロストークを防止するのに役立つ。シャシは、チャネルの上端の近くにそれぞれのランプのフランジを収容して位置をしっかりと整列する溝６４、６６を規定している。または、締りばめを用いて、フランジのないランプを固定してもよい。チャネルは下向きに垂直に延びており、ランプからの光がシャシの下面に妨げられることなく投射されることができるようになっている。検出器収容ポケット７０は、シャシの中央近くの光電検出器４４をぴったりと収容し、通路７２が垂直軸に沿って延びて、検出器への光路を提供する。
シャシ３６の下面５０において、スロットまたはラベット７４が、平らで長方形のレンズ４６の短い方の縁を収容し、レンズ４６はチャネル６０、６２および通路７２を取り囲んでいる。
図３に示すように、シャシ３６の主な面には、プリント配線板７６が取り付けられている。配線板には、プラスチックのコネクタ（図示せず）が搭載されており、シャシの穴（図示せず）とかみ合っている。ＬＥＤ４０、４２および検出器４４は、配線板の金属化したスルーホール８４を通り、また機械的および電気的接触用にスルーホール８４内ではんだ付けした、延びた電気的リード８２を含む。精密に射出成型したプラスチックのシャシを用いることによって、ＬＥＤのランプ、検出器、およびレンズを、非常に正確に相対的に整列した向きに配置することができる。
図４は、システムの光学的部品を示す。それぞれのＬＥＤランプ４０、４２は、リードフレーム９２の反射器のカップ９０内に搭載された金型８６を含む。金型およびリードフレームの一部は、エポキシ樹脂でできたカーブしたドーム９４内に入っている。ドームは、金型および反射器のカップからの光を集め、屈折させて集合した光学的部分４６に向け、同時に、以下で説明するように、照明部１０４に当たる光束９６の発散角を低減する。または、レンズのない平らな窓、および、好ましくはレンズ１２６を用いて、光束を効率的に集めてより小さい焦点にするのに十分な受容器領域、を有する光電セルを設けてもよい。
成型したレンズの集合４６は、３つの別個の部分を有する。部分１０４および１３０は、照明のエネルギーを調節し方向づけるのに役立つ。もし必要ならば、部分１０４および１３０をわずかに異なるパラメータで設計して、光学スペクトルの異なる部分の放射を発する２つの異なるＬＥＤに対して動作を調整することができる。部分１２４は、領域１０６から散乱された放射を集めて、検知器１００上に撮像するのに役立つ。こういった３つの別個の部分を一体的な部品として成形することによって、整列および位置決めの変数の制御が保証され、全体の性能が最大となる。
レンズの集合４６は、その機能がビーム９６を遮ることであり、同時にビーム９６をそらし、焦点を合わせ、拡散して、媒体平面１２内の検査領域１０６をカバーする照明点を作り出す、第１のＬＥＤのランプ４０の下に配置された第１の部分領域１０４を含む。レンズの集合４６の第１の部分は、上面と一体的に成形された回折を生じる構造１１０を含む。この構造は、ビーム９６を部分的に収束して、金型８６およびカップ９０の構造が媒体平面１２において認識可能に撮像されないように拡散するのに役立つ。同じ回折を生じる構造が、ビーム９６を、検査する情報をもつ領域１０６が配置される媒体平面１２と対称軸５６の交点に向けてそらすのにも役立つ。
領域１０４の下部は、その光学軸が成形したレンズの集合の撮像部１２６の軸と符合する、フレネル構造１１２を有する。このフレネル構造は、撮像部１２６の光学軸５６が対称軸となっている。領域１０４および１３０は、両方とも、このフレネル構造の軸からはずれた部分からなる。従って、フレネルレンズ部分のプリズム面は、ビーム９６を検査領域１０６に向けてそらせる任務を完了するのに役立つ。理論上は、領域１０４の上部のみでこの機能を果たすことができる。しかし、このそらせる任務を上下の表面で分けることによって、より効率をよくし、回折を生じるおよびフレネルの表面における不可避の構造上の制約による損失を最少にする。
回折を生じるレンズは、間隔が密接な多数の隆起を有している。隆起は、干渉効果があるような間隔を置いて配置されており、与えられた部分を通る与えられたビームが効率的に選択した向きに導かれるようになっている。ビームの異なる部分を異なる量だけ導くことによって、異なるビームの導きが焦点を合わせる効果を有することができる。選択したわずかな角のオフセットをランダムなまたは選択した向きに導入することによって、効率をあまり損失することなく、焦点の合った画像をわずかに乱雑にすることができる。従来技術の拡散器であれば、選択した領域を越えて光を散乱し、効率を犠牲にしてしまう。単に焦点のぼけた画像を従来技術のレンズで投影するだけでは、焦点をかなりぼかして選択した領域をかなり越えて照明を広げない限り、ＬＥＤの金型および反射器のカップを撮像することによって生じる不均一性を除くことができない。
図５に示すように、ＬＥＤのドームを出るビームに関連する光線９６は、まず回折を生じる表面に出会う。この表面は、多数の非常に小さな特徴（features）１１６からなる。こういった特徴のそれぞれには、異なるピッチ、向き、または起伏（relief）の大きさを割り当ててもよい。従って、この表面のそれぞれの特徴は、そこを通る少量の放射を、それない向き１１４からオフセット角１２０に回折するようにプログラムしてもよい。光線の束全部が多数のこういった特徴１１６に出会い、何らかの所定の方法で統計的に分散される場合には、乱雑にするまたは拡散する効果を達成することができる。角バイアスをすべての特徴１１６の回折の向きに導入することによって、焦点を合わせるおよび／またはそらせる効果を作り出すことがさらに可能である。いくつかの回折を生じる要素を、特にいくつかの光線を他のものよりも多く導いて、隣接するセルのサブセット（subset）からの光線を選択した領域全体を横切って広がるように向けるように「プログラム」してもよい。これによって、「ハエの目」効果が提供され、それぞれのサブセットの不均一な特性が他のサブセットの不均一性を相殺する傾向がある。この場合には、この技術を用いて、ＬＥＤの接合部の明るい領域からの光のいくらかをワイヤボンド（wire bond）の暗いところの画像に再分配する。
図４において、レンズの集合４６の中央部１２４は、レンズの下面内に成形され中心が軸５６にある非球面の凸レンズ要素を有する。または、成形した部品のこの部分は、倍率を有する（powered）上面および平らな下面を有していてもよい。または、必要ならば、上面と下面の両方が倍率を有するおよび／または非球面であってもよい。光学的集合のこの部分の機能は、照明された場所１０６内の媒体表面からの拡散して散乱する放射を集めて、１００において検出器平面に照明された情報の非点収差と像面湾曲を補正した、高度に補正された画像を送ることである。特別な場合には、撮像要素１２６の一表面は、回折を生じる表面、最もありそうなのは平らな表面、にしてもよい。このようにする場合には、この単一の光学的部分が無色になるようにして、異なる波長を有する２つのＬＥＤの照明器からの光によって作り出される画像の焦点が同じになる（co-focus）ようにすることが可能である。
好適な実施形態において、レンズは、ランプ４０とは異なる色になるように選択されるＬＥＤのランプ４２と関連する第２のレンズ部１３０を含む。レンズ部１３０は、ＬＥＤ４０またはＬＥＤ４２のどちらかを使用することができるように、部分１０４の鏡像であってもよい。多数の印字インクの色バランスを判定するのに、プリンタは、それぞれの色のＬＥＤからの結果を比較してもよい。好適な実施形態において、両ＬＥＤのランプは、４５０ｎｍおよび５７１ｎｍで光を発する。成形された回折を生じる光学的レンズは、米国ノースカロライナ州シャーロット市のDigital Optics Companyの技術を用いて製造してもよい。光電検出器は、テキサス・インスツルメンツ社から入手可能な部品番号ＴＳＬ２５０であり、作動領域は１．０ｍｍ²である。低感度でもより高速であることが好ましいアプリケーションにおいては、作動領域が０．５または０．２６ｍｍ²である他のモデルを代用してもよい。
好適な実施形態において、モジュールの高さは２３ｍｍ、幅は２０ｍｍ、厚さは１０ｍｍである。光学的集合の部品またはレンズは、媒体平面から１０ｍｍ間隔を置いて配置されており、選択した領域１０６は直径が１．０ｍｍである。選択した領域全体は光電検出器で見られるが、ＬＥＤが照明する領域はこれよりも少し大きく、直径が約１．５ｍｍであってもよい。
動作において、プリンタの制御装置は、プリンタの電源が入ったときやペンを交換したとき等に、整列および整合が必要であると判定する。するとプリンタは、それぞれ走査軸および供給軸に平行な、それぞれの色の平行な棒の２つのパターンを印字する。印字後、キャリッジが走査し媒体が供給されて、光学的センサがそれぞれのパターンの上を通り、可変電圧を制御装置に送って、視界内の印字の存在を示すようにする。これによって、制御装置はそれぞれのパターンの理想位置に関する位置を計算し、次の印字について補償する補正を制定する。
走査工程には、その光が回折を生じる表面に当たるＬＥＤのランプのうちの少なくとも１つを起動することが、必然的に含まれる。回折を生じる表面は、ビームを乱雑にして収束し、部分的に目標領域１０６に向かってそらす。フレネルの表面であるレンズの集合の第２の表面は、光を選択した領域１０６上に向けて焦点を合わせる任務を完了するのに役立つ。レンズの集合における照明領域（１０４および１３０）の配置によって、媒体から反射した純粋に正反射性のエネルギーが、集合の撮像部１２４に向けられて検出器のフィールドにおける不所望のそれた放射となることがなく、反対の照明チャネルへと向けられることが保証される。１０６から反射したエネルギーのうちの散乱する要素は、整列および整合に必要な情報を含んでおり、部分的にレンズ要素２４によって捕捉され、レンズ要素２４によって光電検出器上に集中する。光電検出器は光電セルの電気出力を増幅し、その結果の信号を分析用に制御装置に送る。
好適な実施形態を、整列を判定するのにセンサを使用するという点から説明したが、色バランスおよび最適のターンオン・エネルギーを判定するのに用いてもよい。色バランスを調節するのに、各領域がそれぞれの色で印字され、または、インク滴が重なり合った複合したものが印字されてもよい。３色のインクを用いたグレーのパッチが適当かもしれない。印字する色からの異なるＬＥＤの波長の予想される反射率を用い、測定した反射率と比較して、ある特定の色の印字の強さを調節してもよい。色バランスの分析は、異なる色および滴体積で印字したテストパターンを感知することによって行って、印字した滴の大きさによって、それぞれの色について所望の滴の隣接または重なり合いのしきい値が達成される時を判定してもよい。関連する手法を用いて、印字したテストパターンを分析して、いずれかのプリントヘッドのノズルが印字していないか、または向きが誤っているか、を判定してもよい。
ターンオン・エネルギーを測定するのに、プリントヘッドの抵抗器に異なる量のエネルギーを印加して、何回か印字する。エネルギーがしきい値以下に下がると、ノズルの中には機能しなくなるものが出てくる。そこで、ターンオン・エネルギーは、ある限定された量だけこのしきい値から上に設定され、印字品質を犠牲にすることなくエネルギー消費量が最少になるようにする。
本発明を好適な実施形態の点から説明したが、特許請求の範囲をそれに限定することは意図されていない。

Claims (11)

1. 媒体平面内にある印字媒体上の印字されたインク・ジェットの画像の特性を識別する光学的センサのモジュールにおいて、
   シャシと、
   前記シャシと接続され、前記媒体平面から間隔を置いて配置された照明源と、
   前記シャシと接続され、前記媒体平面から間隔を置いて配置された検出器と、
   前記媒体平面と前記照明源との間に配置され、かつ前記媒体平面と前記検出器との間に配置された、一体的な光学的要素と
   を備え、
   前記シャシは、前記照明源から出射された光が、前記媒体平面に対して略直交する方向に延在する光軸に沿って投射されることが可能に前記照明源を保持するよう構成され、かつ前記媒体平面で反射された光のうち、前記媒体平面に対して略直交する方向に延在する光軸に沿って進む光が前記検出器に導かれることが可能に前記検出器を保持するよう構成され、
   前記光学的要素は、
   前記照明源と前記媒体平面の選択された領域との間にある第１の光路上に配置され、回折を生じる光学部品、およびフレネル要素を含んで第１の光学的特性を有する第１の部分であって、当該の第１の部分を通過する光が、前記フレネル要素によって前記選択された領域に向けられて限定された点に焦点が合わされ、前記回折を生じる光学部品によって回折されて均一な照明を提供するように構成される、第１の部分と、
   前記検出器と前記選択された領域との間にある第２の光路上に配置された、前記第１の光学的特性とは異なる第２の光学的特性を有する第２の部分と
   を含み、
   前記回折を生じる光学部品は前記一体的な光学要素の一の面に形成される一方、前記フレネル要素は前記一体的な光学要素の他の面に形成される
   ことを特徴とするモジュール。
2. 前記光学的要素が、単一の、均一な材料で形成される、請求項１に記載のモジュール。
3. 前記光学的要素が、
   前記媒体平面と平行な平らな要素であり、
   その主面のうちの少なくとも１つと一体化された光学的特徴を有する、請求項１に記載のモジュール。
4. 前記光学的要素の前記第２の部分が、
   前記選択された領域からの光の少なくとも一部の焦点を前記検出器上に合わせるように選択された焦点距離を有する集束要素を含む、
   請求項１に記載のモジュール。
5. 前記光学的要素が、１つの透明のプラスチック片で形成される、請求項１に記載のモジュール。
6. 媒体平面内にある印字媒体上にインク・ジェットの画像を印字するインク・ジェット印字システムにおいて、
   （ａ） プリンタのフレームと、
   （ｂ） 媒体平面内の媒体のシートと供給軸に沿って動かすように動作可能な、前記フレームに接続された媒体運搬機構と、
   （ｃ） 前記媒体平面と隣接しており前記供給軸と垂直な走査軸に沿って移動可能な、前記フレームに接続されたキャリッジと、
   （ｄ） 前記キャリッジに搭載されたインク・ジェットのプリントヘッドと、
   （ｅ） 前記キャリッジに接続された光学的センサのモジュールであって、
   （ｅ−１） シャシと、
   （ｅ−２） 前記シャシと接続され、前記媒体平面から間隔を置いて配置された照明源と、
   （ｅ−３） 前記シャシと接続され、前記媒体平面から間隔を置いて配置された検出器と、
   （ｅ−４） 前記媒体平面と前記照明源との間に配置され、かつ前記媒体平面と前記検出器との間に配置された、一体的な光学的要素と
   を含む、光学的センサのモジュールと
   を備え、
   前記シャシは、前記照明源から出射された光が、前記媒体平面に対して略直交する方向に延在する光軸に沿って投射されることが可能に前記照明源を保持するよう構成され、かつ前記媒体平面で反射された光のうち、前記媒体平面に対して略直交する方向に延在する光軸に沿って進む光が前記検出器に導かれることが可能に前記検出器を保持するよう構成され、
   前記光学的要素は、
   前記照明源と前記媒体平面の選択された領域との間にある第１の光路上に配置され、回折を生じる光学部品、およびフレネル要素を含んで第１の光学的特性を有する第１の部分であって、当該の第１の部分を通過する光が、前記フレネル要素によって前記選択された領域に向けられて限定された点に焦点が合わされ、前記回折を生じる光学部品によって回折されて均一な照明を提供するように構成される、第１の部分と、
   前記検出器と前記選択された領域との間にある第２の光路上に配置された、前記第１の光学的特性とは異なる第２の光学的特性を有する第２の部分と
   を含み、
   前記回折を生じる光学部品は前記一体的な光学要素の一の面に形成される一方、前記フレネル要素は前記一体的な光学要素の他の面に形成される
   ことを特徴とするシステム。
7. 前記光学的要素が、単一の、均一な材料で形成される、請求項６に記載のシステム。
8. 前記光学的要素が、
   前記媒体平面と平行な平らな要素であり、
   その主面のうちの少なくとも１つと一体化された光学的特徴を有する、請求項６に記載のシステム。
9. 前記光学的要素の前記第２の部分が、
   前記選択された領域からの光の少なくとも主な部分の焦点を前記検出器上に合わせるように選択された焦点距離を有する集束要素を含む、
   請求項６に記載のシステム。
10. 媒体のシート上に印字された画像を分析する方法において、
    照明源を備えるステップであって、前記照明源から出射された光が、前記シートに対して略直交する方向に延在する光軸に沿って投射されることが可能となるように前記照明源を備える、照明源を備えるステップと、
    検出器を備えるステップであって、前記シートで反射された光のうち、前記シートに対して略直交する方向に延在する光軸に沿って進む光が前記検出器に導かれることが可能となるように前記検出器を備える、検出器を備えるステップと、
    単一の光学的要素を備えるステップと、
    前記照明源から光のビームを発生するステップと、
    前記光のビームを、前記単一の光学的要素が有する第１の部分の一の面に形成されるフレネルレンズを介して前記シートの選択された領域に向けるステップと、
    前記ビームの焦点を、前記単一の光学的要素が有する前記第１の部分の一の面に形成される前記フレネルレンズを介して前記選択された領域における限定された点に合わせるステップと、
    前記単一の光学的要素が有する前記第１の部分の他の面に形成される、回折を生じる光学部品を介して前記ビームを乱雑にして、前記選択された領域を均一に照明するステップと、
    前記選択された領域から反射した光を測定して、該選択された領域内の前記印字された画像の特性を判定するステップと
    を含む方法。
11. 前記選択された領域から反射した光を測定する前記ステップが、該選択された領域からの光の焦点を、前記単一の光学的要素が有する第２の部分を介して光電検出器上に合わせることを含む、請求項１０に記載の方法。

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