JP5059683B2 - 可動なノズルアレイを付加したインクジェットプリントヘッド - Google Patents

Description

本発明は、コントローラと共にインクジェットプリンタに搭載され高品質印刷に寄与するプリントヘッドに関する。本発明は、より具体的には、クロスプロセス方向（プロセス方向と交差する方向）沿いノズル位置を相対変化させてプロセス方向（印刷進行方向）沿いにノズルを並べること即ち近づけることができるよう、複数本のノズルアレイを設けたインクジェットプリンタ用プリントヘッドに関する。

オンデマンドインクジェット印刷システムは、圧電デバイスやサーマルトランスデューサ例えば抵抗器によってプリントヘッド内で加圧パルスを発生させ、その加圧パルスによってプリントヘッドのノズルから記録媒体に向かってインク滴を吐出させ、記録媒体に被着したインク滴によってスポット状の画素を形成するシステムである。この種のシステムでは、そのプリントヘッド内に複数本のチャネルとインクリザーバを設け、また各チャネルに原則として１個ずつノズルを設ける。各ノズルは、対応するチャネルを介してインクリザーバに連通させる。

後述の通り、本発明はサーマルインクジェット印刷システム等で実施可能である。サーマルインクジェット印刷システムでは、通常、個別に駆動可能な抵抗器を各チャネルに１個ずつ設け、それらの抵抗器により加圧パルスを発生させる。即ち、パルス電圧の印加によって抵抗器にパルス電流を流し、その電流による抵抗器の発熱で抵抗器近傍のインクを一時的に気化させる。気化したインクはその抵抗器上で気泡として成長しそのチャネル内で破裂する。気泡が破裂すると相応量のインクがそのチャネルから押し出され、そのチャネルのノズルで膨れてインク滴ができる。ノズルで膨れたインク滴は抵抗器上での気泡破裂に伴い吐出され、記録媒体に向かって飛翔してその記録媒体に被着し、被着した場所にスポット状の画素を形成する。他方、インク滴の送出元となったチャネルは、毛細管現象によりインクサプライ（インクリザーバ）容器から吸い込まれたインクで再充填される。

圧電インクジェット印刷システムでもやはり、個別に駆動可能な圧電デバイスを各チャネルに原則として１個ずつ設け、電気信号の印加によって圧電デバイスを電気的に励振させることで加圧パルスを発生させる。即ち、パルス電圧の印加によって圧電デバイスを屈曲乃至変形させ、それによって周辺のインクを加圧して相応量のインクをチャネルから押し出すという機構により、対応するノズルからインク滴を吐出させる。吐出されたインク滴はサーマルインクジェット印刷システムにおけるそれと同様に記録媒体に向かって飛翔し、そしてその被着先の記録媒体上に画素を形成する。他方、インクの送出元となったチャネルは、毛細管現象によりインクサプライから吸い込まれるインクによって再充填される。なお、こうした圧電インクジェットプリンタについては特許文献１に例示がある。

これら、インクジェット印刷システムで使用されるプリントヘッドは、通常は１個又は複数個のダイアセンブリによって構成される。例えばサーマルインクジェット印刷システム用のプリントヘッド即ちサーマルインクジェットプリントヘッドでは、ヒータ部分及びチャネル部分からなるダイアセンブリを使用する。そのうちヒータ部分には気泡発生用抵抗器を複数個設け、チャネル部分には対応する気泡発生用抵抗器にインクを送り込むチャネル複数本からなるチャネルアレイを設ける。ヒータ部分には、更に、気泡発生用抵抗器を駆動するためのトランジスタ及びそのトランジスタを個別駆動するための電子回路からなる駆動アセンブリも設ける。こうした構成のプリントヘッドでは、単一のダイアセンブリ上のチャネルアレイでは幅が足りず、例えば標準的な紙シート等の記録媒体でもその全幅をカバーしきれないことから、キャリッジ型又は全幅アレイ型の構成を採るのが普通である。キャリッジ型は、記録媒体を固定した状態でダイアセンブリを記録媒体横断方向に移動させ（ダイアセンブリで記録媒体を横断スキャンし）、スキャンとスキャンの合間に記録媒体を前進させる仕組みであり、設けるダイアセンブリは１個で足りる。全幅アレイ型は、記録媒体の全幅以上の長さになるよう複数個のダイアセンブリを隙間なく並べたものであり、これについては例えば特許文献２及び３に記載がある。

従って、インクジェットプリンタは、圧電かサーマルかを問わず、使用するプリントヘッドの種類に従いキャリッジ型プリンタと全幅アレイ型プリンタとに分類できる。キャリッジ型プリンタには、更に、単一のダイアセンブリで構成される単一ダイ型と、複数個のダイアセンブリを隙間なく並べてあるがその合計長が記録媒体幅より短い部分幅アレイ型とがある。そのうち単一ダイ型のキャリッジ型プリンタでは、例えば、そのダイアセンブリ上にインク用のチャネル及びノズルを設けたプリントヘッドを液漏れが生じないよう使い捨て型インクサプライカートリッジに取り付け、それによって形成されたプリントヘッド／カートリッジアセンブリを反転移動型キャリッジに装着する。キャリッジ上のアセンブリでいちどきに印刷できる情報量はスワス幅分、即ちそのプリントヘッドを構成するノズルアレイの長さ分であるので、印刷の際には、記録媒体を固定保持した状態でキャリッジを駆動して１スワス高分の情報を印刷し、次いでその記録媒体を所定距離だけステップ的に送った上でキャリッジを反転駆動して次の１スワス高分の情報を印刷する、といった手順を、画像全体を印刷し終えるまで繰り返す。また、先に印刷されたスワスと後に印刷されるスワスとが互いに切れ目なく（場合によっては多少重なり合って）つながるようにするため、記録媒体のステップ送り長はスワス高以下とする。なお、部分幅アレイ型は、単一ダイ型よりスワスが大きく従って一度により大量の情報を記録できるが、記録媒体幅より短いことやキャリッジ型としての基本動作では単一ダイ型と大差ないのでその説明を省略する。

これに対し、全幅アレイ型プリンタでは、記録媒体シートの全幅にいっぺんに印刷可能な長さの固定型プリントヘッドを使用する。印刷時には、記録媒体をこのプリントヘッドに通しプリントヘッド長手方向に略直交する方向に沿って一定又は可変の送り速度で連続的に送る。なお、全幅アレイ型プリンタとしては他に特許文献４に記載の構成がある。

いずれにしても、インクジェット印刷システムでは、パーソナルコンピュータ等の情報出力装置から受け取った情報、例えばラスタ形式の画像情報やＰＤＬ（ページ記述言語）で記述された画像情報に基づきインク滴を吐出させるのが普通である。ラスタ形式画像情報、例えばフルページビットマップは複数本の走査線からなる情報であり、各走査線はそれぞれ複数個のビットにより記述された個別情報要素即ち画素の集まりである。各走査線に含まれる情報に基づき何れかのノズルからインク滴を吐出させることで、記録媒体を横断する直線状画像を描画することができる。従って、インクジェットプリンタでは、ビットマップ形式の情報を受け取って画像を印刷することも、ＰＤＬで記述された画像情報を受け取りそれを画素情報のビットマップに変換して印刷することもできる。

米国特許第３９４６３９８号明細書 米国特許第４８２９３２４号明細書 米国特許第５２２１３９７号明細書 米国特許第５１９２９５９号明細書 米国特許第４５６８９５３号明細書 米国特許第４７８９４２５号明細書

ただ、インクジェットプリンタには、ノズルの汚れによってプリントヘッドがランダムに不調を起こすという問題がある。そのため、インクジェットプリンタが高品質印刷に用いられることは少ない。特に、単一パスで（即ち記録媒体をプリントヘッドに通す回数を１回に制限して）高速印刷を行うシステムでは、インク滴が若干薄く又はその吐出方向に多少誤差があるというだけでも、目に見える画像欠陥例えばストリーク（縞状欠陥）が発生することがある。こうした不調はその性質上発生を予測できないので、何らかの形態で日常的に出力を監視し、不調発生を検知して印刷不良の大量発生を防ぐのが望ましい。しかしながら、監視によって不調発生を検知したとき加圧を停止させてプリントヘッドを清掃等する必要があるので、印刷能率がかなり損なわれてしまう。

そのため、現行のインクジェット印刷システムは高品質印刷の分野で使用されることがかなり少なく、低品質印刷例えばダイレクトメール等の通信文書の印刷や、画素インタレース方式による低スループット印刷（例えばフラットベッドによるシグネージ印刷）に用いられるのが普通である。また、ウェブクリーナや気流制御技術で紙質塵埃をプリントヘッドから退け、それによってノズルの汚れを抑えることも可能であるが、インクジェットプリントヘッドにおけるランダムな不調発生を防ぐにはそれでは不十分である。

このような問題を解決乃至緩和するため、本願では、プロセス方向沿いに第１ノズルアレイ内ノズルと第２ノズルアレイ内ノズルとが並ぶように設けられた第１及び第２ノズルアレイと、それらのノズルアレイ内の不調ノズルを検知する手段（例えば印刷出力中の欠陥画素を検知する検知システム）と、プロセス方向沿いに第１ノズルアレイ内不調ノズルと並ぶ第２ノズルアレイ内ノズルを作動させる手段と、プロセス方向沿いに第１ノズルアレイ内不調ノズルと並ぶ第２ノズルアレイ内ノズルも不調ノズルである場合に、別の第２ノズルアレイ内ノズルがプロセス方向沿いにその第１ノズルアレイ内不調ノズルと並ぶよう、検知手段の出力に応じ第１ノズルアレイに対して第２ノズルアレイを移動させる手段と、を備える（例えば全幅アレイ型の）インクジェットプリンタ用プリントヘッドを提案する。

以下、本発明の実施形態に関し別紙図面を参照しつつ説明する。なお、図中の部材のうち同様の部材には同様の参照符号を付してある。

図１に、本発明の実施に適するキャリッジ型サーマルインクジェットプリンタ１０の縦断面を模式的に示す。本プリンタ１０で使用するプリントヘッド１２はアレイ間横ずらし（後述）が可能なサーマルインクジェットプリントヘッドであり、キャリッジ１４に実装されたルーフシュータ構造を有している。キャリッジ１４はガイドレール１５に沿って反復移動可能に設けられており、レール１５は記録媒体１６を横断する方向即ち図１の紙面に直交する方向に延びているので、ヘッド１２はこの方向に沿って反復移動させることができる。なお、図示した構成は本発明の実施環境の一例に過ぎない。例えば、定速又は可変速で回転するフィードローラ（図示せず）で連続的に送りつつ記録媒体を全幅アレイ型プリントヘッド（図示せず）に通す構成のプリンタ等でも、本発明を実施可能である。

プリントヘッド１２は記録媒体１６に向けインク滴１７を吐出し、いちどきに１スワスずつ印刷を行う。媒体１６は印刷プラテン１８に載っており、その動きはフィードローラ１９及び２０によって精密に制御されている。ローラ１９及び２０のうち一方を駆動する電動モータ２１の役目は、ヘッド１２に対し媒体１６を位置決めすることと、１スワス高分の印刷を終えるたびにヘッド１２に対し媒体１６を動かすことである。これらの動作は、ページ丸ごとの情報がある場合はそのページの情報を媒体１６に印刷し終えるまで、また情報が１ページ分に満たない場合はその情報を全て印刷し終えるまで、繰り返し実行する。情報印刷が済んだらそのページに係る媒体１６をキャッチトレイ２２上に排出させる。また、プリンタコントローラ２６から指令があると、ドキュメントフィーダ２４は、図示しないカセット内の媒体１６のシート又はサプライトレイ２５上に積まれた媒体１６のシートを、原則として１枚ずつ、ローラ１９とローラ２０の間に送り込む。こうしたルーフシュータ構造を有するプリントヘッドの仔細については特許文献５及び６を参照されたい。それらの文献による記載のうち本発明に関係する部分はこの参照を以て本願中に繰り入れることとする。そして、コントローラ２６は、プラテン１８上に媒体１６をタイミングよく送り込ませ、またその媒体１６上にヘッド１２で情報を印刷させる（後述）。

図２及び図３にプリントヘッド１２のノズル面２８を示す。これらの平面図に示されているように、本発明の特徴に係るヘッド１２は主たる個別プリントヘッド１０１及び従たる個別プリントヘッド１０３から構成されており（図３参照）、複数個のノズル３０を直線状に並べたノズルアレイがそれらの上に１本ずつ合計２本設けられている（図２参照）。図２ではヘッド１０１上のアレイを第１ノズルアレイＮ１、ヘッド１０３上のアレイを第２ノズルアレイＮ２と表しており、それらは矢印で示すプロセス方向３１に沿って間隔Ｓで並んでいる。

直線状の第２ノズルアレイＮ２は同じく直線状の第１ノズルアレイＮ１に対しクロスプロセス方向に可動である。即ち、従プリントヘッド１０３に連結されている横ずらしアセンブリ（図３参照）を動作させることにより、アレイＮ２内ノズル３０のクロスプロセス方向位置を、アレイＮ１内ノズル３０のクロスプロセス方向位置に対し随時（再）位置決めすることができる。また、図示の横ずらしアセンブリはステッパモータ５０とリードスクリュー６０の組合せで実現されているので、ヘッド１０３を例えばノズル間隔Ｒと等しい微小な刻み幅で精密に動かすことができる。即ち、複数本のノズルアレイを相互不動に設ける構成で求められるアレイ配置精度と同程度以上の精度で、ヘッド１０３の位置を主プリントヘッド１０１に対し初期設定することができ、また、ノズル３０の配置密度が例えば１インチ当たり１００個超といった高密度インクジェットプリントヘッドでも、この横ずらしアセンブリを使用しクロスプロセス方向ノズル位置を（再）位置決めすることができる（１インチ＝約２．５４×１０^-2ｍ）。

可動な第２ノズルアレイＮ２のクロスプロセス方向寸法は第１ノズルアレイＮ１のそれに比べ僅かに（例えばノズル個数で１０％程）長くするのが望ましい。これは、アレイＮ１に対するアレイＮ２の横ずらし量を大きめにとっても、両アレイＮ１，Ｎ２で重複カバーされるノズル個数（重複カバー範囲）を十分確保できるようにするためである。この措置は必須でこそないが有益であり、この措置を施していないものに比べると、アレイ長が同じでもアレイ可動による効果は強まる。また、その機能部分がより短いアレイＮ１，Ｎ２によって（従ってより長い直線状ノズルアレイを実際に設けたりせずに）同等の効果を得ることもできる。

検知システム７０は、印刷が薄いかすれ画素、印刷位置がずれているずれ画素、印刷されていない抜け画素等の欠陥画素を印刷済画像から探し出し、その結果をコントローラ６５に知らせる。それを受けたコントローラ６５は、欠陥画素をもたらしたノズル３０のクロスプロセス方向位置（不調検知位置）を識別し、然るべき措置を実行する。例えば、第１ノズルアレイＮ１内不調検知位置ノズル３０に対し不調フラグが設定されていない場合はそのノズル３０即ち不調ノズルに対して不調フラグを設定し、アレイＮ１を補助する第２ノズルアレイＮ２内でそのアレイＮ１内不調ノズル３０と同じクロスプロセス方向位置を有するノズル３０即ち同位置ノズルを作動させる。また、アレイＮ１内不調検知位置ノズル３０に対し既に不調フラグが設定されている場合、アレイＮ２内同位置ノズル３０にも不調が発生したと見なして最も近い許容アレイ位置を計算し、その位置まで従プリントヘッド１０３を横ずらしする（クロスプロセス方向に動かす）。許容アレイ位置とは、アレイＮ２内不調ノズル３０がどのアレイＮ１内不調ノズル３０とも同一のクロスプロセス方向位置を採らない位置のことである。横ずらしの後は、アレイＮ１内不調ノズル３０に代わり、新たにその不調ノズル３０と同じクロスプロセス方向位置を採ることとなったアレイＮ２内ノズル３０を作動させて、印刷を継続する。

なお、検知システム７０としては、記録媒体１６例えば紙シートの全幅をいちどきに調べることが可能なＣＣＤ（電荷結合デバイス）アレイを備え、かすれ画素や抜け画素を例えば６００×６００ｄｐｉに及ぶ高解像度で検知でき、しかも排出された媒体１６を８０ｉｐｓ超の処理速度で検査できるものを、用いるのが望ましい。また、媒体１６上の印刷結果ではなくノズル３０の動作を直に監視する構成等、他種構成のシステム７０も使用できる。そして、システム７０を自動検知システムにする必要はなく、あまり効率的な手段ではないが印刷出力をマニュアルで調べるシステムでも、本発明を実施することができる。

次に、以上説明した基本的構成要素の構成及び相互関係を念頭に本発明についての理解を深めるべく、図４として示すフローチャートを参照して本プリンタ１０の動作について説明する。

図示手順では、まず検知システム７０が印刷出力を調べ、かすれ画素、抜け画素等の欠陥画素又はそれをもたらしたディジタル要素（本プリンタ１０を構成するノズル３０）を探し出す（２００）。インクジェットプリンタにおけるこの種の不調は、大抵は塵埃粒子や紙繊維でノズル３０に目詰まりが生じたことによるものであり、その性質上ランダムに発生するので、定期的にテストパターンを印刷し全ノズル一括で調べるのが望ましい。テストパターンは、記録媒体１６上の不使用部位例えばページ端境に印刷してもよいし、媒体１６を１ページ丸ごと割いて印刷してもよいが、どちらにしても媒体１６上の印刷ゾーン全幅に亘るように印刷すべきである。検知システム７０は、テストパターンからかすれ画素、抜け画素等の欠陥画素を検知した場合（２０１）それらについての情報をコントローラ６５に送る。コントローラ６５は、その欠陥画素に対応するクロスプロセス方向ノズル位置を計算し、第１ノズルアレイＮ１内ノズル３０のうちその位置を採るノズル３０に対し不調フラグが既に設定されているか否かを、記憶している情報を併用して判別する（２０２）。それによって未設定と判別した場合、コントローラ６５はそのアレイＮ１内不調ノズル３０のクロスプロセス方向位置を記憶し（２０３）、同じクロスプロセス方向位置を有する第２ノズルアレイＮ２内ノズル３０を起動させて（２０４）印刷を再開する（２０５）。逆に、欠陥画素に対応するクロスプロセス方向位置を有するアレイＮ１内ノズル３０に対し既に不調フラグが設定されていると判別した場合、コントローラ６５は、そのアレイＮ１内不調ノズル３０と同位置にあるアレイＮ２内ノズル３０を不調と判断してそのクロスプロセス方向位置を記憶し（２０６）、許容アレイ位置であってアレイＮ１に対するアレイＮ２の移動所要量（ノズル個数単位）が最小になるものを計算する（２０７）。「許容」とは、印刷ゾーン全体に亘り、アレイＮ１内不調ノズル２０とアレイＮ２内不調ノズル３０の位置が互いに一致しないことをいう。コントローラ６５は、計算で得られた許容アレイ位置になるようアレイＮ２をクロスプロセス方向沿いに移動させる（横ずらしを実行する）ことで、アレイＮ１に対しアレイＮ２を再位置決めし、更にアレイＮ１内不調ノズル３０と同位置のアレイＮ２内ノズル３０を作動させて印刷を再開する（２０８）。

また、第２ノズルアレイＮ２をどのように再位置決めしても「許容」できる状態にならない場合即ち許容アレイ位置が存在しない場合は（図中の「ＮＯＮＥ」）、コントローラ６５は、アレイＮ１，Ｎ２の一方又は双方を清掃又は交換すべき状況であることを、オペレータに知らせる（２０９）。

このとき、メモリ例えばノズルアレイ上のチップに格納されている不調ノズル情報例えば不調ノズル位置を利用することによって、本プリンタ１０では、アレイ寿命を更に延ばすことができる。即ち、第２ノズルアレイＮ２の横ずらしでは不調ノズル３０同士のアレイ間重複を解消できない場合でも、ノズルアレイＮ１，Ｎ２（のうち一方）を別のノズルアレイ例えばＮ３と併用することによって、不調ノズル３０同士のアレイ間重複を解消することができ、ひいてはそれまで使用してきたアレイを新たなアレイと共に引き続き使用することができる。

図５にモデル計算の結果を示す。このモデル計算で計算対象としたシステムは、本発明の一実施形態に係る付加アレイ可動システム、即ち第１ノズルアレイＮ１に対し付加アレイたる第２ノズルアレイＮ２を移動させうるシステムと、参考例たる付加アレイ固定式システム即ち複数個のノズルアレイを相対不動に設けたシステムである。モデル計算に当たっては、ノズル不調発生が真にランダムであると仮定し、またある種のノズル不調モード及びノズル個数範囲を想定した。別のノズル不調モードについてモデル計算を行うと別の結果になるが、その傾向は図示のものと大差ない。また、この図に示したのは、付加アレイ固定システム及び付加アレイ可動システムそれぞれのシステム寿命、例えばアレイ清掃やアレイ交換等の保守作業からその次の保守作業までに経過する時間をＭＴＢＦ（mean time between failures）で評価し、それを更に付加アレイ無しシステム即ちノズルアレイが１本のシステムを基準にして表した比率である。図示の通り、想定したノズル個数範囲でのモデル計算結果によれば、付加アレイ無しシステムに比する付加アレイ固定システムのシステム寿命向上比（長寿命化率）は１０〜２５倍、付加アレイ固定システムに対する付加アレイ可動システムの長寿命化率は２．０〜２．５倍となっている。なお、前述の通り、アレイＮ２の機能部分がアレイＮ１のそれより僅かに（１０％程）長いものと仮定している。

また、図示の計算結果は、第２ノズルアレイＮ２だけが可動であると仮定して得られたものである。ノズルアレイＮ１，Ｎ２双方を印刷ゾーンに対し可動とすると、システム寿命は図示のものに比べ更に２０〜２５％程長くなる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明した。本発明についてはこれ以外にも様々な実施形態があるが、本件技術分野で習熟を積まれた方々（いわゆる当業者）には当然のこととしてご理解頂ける通り、別紙特許請求の範囲により定義される本発明の技術的範囲には、それらの実施形態も包含される。

また、上述した各種の構成乃至機能、説明していない各種の構成乃至機能、それらの代替物等を適宜組み合わせることで、様々なシステム乃至応用物を得ることができる。更に、今のところ未発見乃至未想到であるにしても、本発明の一部構成を置換し又は本発明の構成を修正、変形、改良等した構成をいわゆる当業者がいずれ想到するであろう。これらのものも、別紙特許請求の範囲に記載の発明の技術的範囲に包含されるものとする。そして、本願明細書や他の請求項に記載されている事項（ステップや構成要素）であっても、当の請求項に明示されていない事項を付加して各請求項を限定解釈してはならない。順序、数値、位置、サイズ、形状、角度、色、材質等も例外でない。

本発明に係る印刷システム及び方法の実施に適するキャリッジ型サーマルインクジェットプリンタ及びそのプリントヘッドを示す模式的縦断面図である。 本プリンタで使用する２個のプリントヘッド及びそれらの上に形成された直線状のノズルアレイを示す平面図である。 図２に示したプリントヘッドの駆動制御システムを示すブロック図である。 そのシステムの動作手順を示すフローチャートである。 本発明に係る付加アレイ可動システムの効果を、付加アレイ固定式システム及び付加アレイ無しシステムとの対比で示すモデル計算結果図である。

符号の説明

１０ キャリッジ型サーマルインクジェットプリンタ、１２ 横ずらし可能型サーマルインクジェットプリントヘッド、３０ ノズル、３１ プロセス方向、５０ ステッパモータ、６０ リードスクリュー、６５ コントローラ、７０ 検知システム、１０１，１０３ 個別プリントヘッド、Ｎ１，Ｎ２ ノズルアレイ。

Claims (1)

1. プロセス方向沿いに第１ノズルアレイ内ノズルと第２ノズルアレイ内ノズルとが並ぶように設けられた第１及び第２ノズルアレイと、
   上記各ノズルアレイ内の不調ノズルを検知する手段と、
   プロセス方向沿いに第１ノズルアレイ内不調ノズルと並ぶ第２ノズルアレイ内ノズルを作動させる手段と、
   プロセス方向沿いに第１ノズルアレイ内不調ノズルと並ぶ第２ノズルアレイ内ノズルも不調ノズルである場合に、別の第２ノズルアレイ内ノズルがプロセス方向沿いにその第１ノズルアレイ内不調ノズルと並ぶよう、検知手段の出力に応じ第１ノズルアレイに対して第２ノズルアレイを移動させる手段と、
   を備え、
   第２ノズルアレイの移動方向に沿って、第２ノズルアレイは、第１ノズルアレイよりも長く形成され、
   第２ノズルアレイの移動方向に沿って、第２ノズルアレイのノズル個数は、前記第１ノズルアレイのノズル個数よりも多い、インクジェットプリンタ用プリントヘッド。

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