(57)【要約】【課題】  補償手段での補償の限界時期を精度よく予測することの可能な、インクジェット記録ヘッド故障予測システムを提供する。【解決手段】  故障検出部２２は、インク滴の吐出に異常を来した故障ノズルを検出し、故障時期や故障箇所、故障モードなどの、故障ノズルに関する故障情報を、故障情報メモリ３０に出力する。故障予測データベース部３４には、故障予測データベースＤが記憶されており、故障予測データベースＤには、故障検出部２２で検出される特性値から故障モードを判定するためのデータと、各故障モード毎の統計的性質のデータが保存されている。故障時期予測部３６は、故障情報メモリ３０、製造情報部３２、故障予測データベース部３４に記憶された情報に基づいて、紙幅ヘッド１４が完全に故障する完全故障時期を予測する。【選択図】  図１７
2006088391.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像情報に応じてインク滴を吐出する複数のインク吐出ノズル、及び故障した故障ノズルを補償する補償手段、を備えたインクジェット記録ヘッドの故障を予測するインクジェット記録ヘッド故障予測システムであって、
前記各インク吐出ノズルからのインク滴の吐出に関する故障を検出する故障検出手段と、
前記故障検出手段により検出された故障に関する故障情報を記憶する記憶手段と、
前記故障情報に基づいて、故障インク吐出ノズル以外のインク吐出ノズルに故障が発生する時期を演算し、この演算結果に基づいて、前記補償手段での補償ができなくなる完全故障時期を予測する故障時期予測手段と、
を備えた、インクジェット記録ヘッド故障予測システム。
【請求項２】
前記故障情報は、故障時期、及び、故障のタイプに関する故障モードを含んでい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ヘッド故障予測システム。
【請求項３】
前記故障時期予測手段により予測された完全故障時期に応じて、インクジェット記録ヘッドの交換時期に関する情報を出力する交換時期情報出力手段、
をさらに備えたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のインクジェット記録ヘッド故障予測システム。
【請求項４】
前記記憶手段は、複数種の故障モード毎に層別された故障予測データベースを記憶し、
前記故障時期予測手段は、前記故障検出手段により検出された故障情報の故障モードを前記故障予測データベースに照らして、故障インク吐出ノズル以外のインク吐出ノズルに故障が発生する時期を演算することを特徴とする請求項２または請求項３に記載のインクジェット記録ヘッド故障予測システム。
【請求項５】
インクジェット記録ヘッドの温度、インクジェット記録ヘッド周囲の湿度、インクジェット記録ヘッドの駆動条件、インク吐出ノズルでの印字数、及び、インクの種類、の少なくとも１つを含む故障加速情報を検出する故障加速情報検出手段、をさらに備え、
前記故障予測データベースには、前記故障モード毎に前記故障加速情報に対応する故障加速データが記憶され、
前記故障時期予測手段は、検出された前記故障加速情報を前記故障予測データベースに照らして、故障インク吐出ノズル以外のインク吐出ノズルに故障が発生する時期を演算すること、
を特徴とする請求項４に記載のインクジェット記録ヘッド故障予測システム。
【請求項６】
前記故障時期予測手段は、インクジェット記録ヘッドの製造ロット、このインクジェット記録ヘッドを構成するヘッドチップのウエハー上のアドレス、の少なくとも１つを含む製造情報を加味して故障インク吐出ノズル以外のインク吐出ノズルに故障が発生する時期を演算すること、を特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド故障予測システム。
【請求項７】
前記故障情報をメーカーに送信する送信手段と、
前記送信された故障情報を受信すると共に、故障情報を集約して管理する管理装置と、
をさらに備えたインクジェット記録ヘッド故障予測システム。
【請求項８】
前記インクジェット記録ヘッドが、紙幅ヘッドであり、前記補償手段が、紙幅よりも狭い幅の補助ヘッドを故障ノズル位置に配置して故障ノズルに代えてインク滴を吐出する補償方式である場合には、前記完全故障時期を前記インクジェット記録ヘッドのインク吐出ノズルのうち、前記補助ヘッドが配置されない部分のインク吐出ノズルが故障する時期とする、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド故障予測システム。
【請求項９】
前記補償手段が、分割印字により故障ノズル部分を別のインク吐出ノズルで印字する補償方式である場合には、前記完全故障時期を分割印字のヘッド送りピッチと同じピッチで複数のインク吐出ノズルが故障する時期とする、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド故障予測システム。
【請求項１０】
前記インクジェット記録ヘッドがドット径変調可能であり、前記補償手段が、故障ノズルに代えて故障ノズルの両側のインク吐出ノズルから通常より大きなインク滴を吐出させる補償方式である場合には、前記完全故障時期を当該両側のインク吐出ノズルが故障する時期とする、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド故障予測システム。
【請求項１１】
前記インクジェット記録ヘッドが、少なくとも、ブラック、シアン、マゼンタ、イエローのインク滴を吐出可能とされ、前記補償手段が、ブラックのインク滴を吐出するインク吐出ヘッドのノズルが故障した時にシアン、マゼンタ、イエローインクを重ね印字して、重ね印字ブラックを形成する補償方式である場合には、前記完全故障時期を、ブラックの故障ノズルの数が、重ね印字ブラックの増加により所定の画質を維持できない所定数に達した時期とする、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド故障予測システム。
【請求項１２】
前記故障モードが、ドットの大きさが小さくなるタイプのものであり、その故障モードの補償手段が、インク滴を吐出させるために駆動される駆動部に入力するエネルギーを増加させる補償方式である場合には、前記完全故障時期を、駆動部への入力エネルギーが、エネルギー供給手段の上限エネルギーに達する時期とする、
ことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド故障予測システム。
【請求項１３】
前記故障時期予測手段は、故障検出手段により検出された故障情報をワイブル分布に当てはめて故障分布の形状パラメータと特性寿命をもとめ、次のノズル故障時期を予測すること、
を特徴とする請求項１乃至請求項１２のいずれか１項に記載のインクジェット記録ヘッド故障予測システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像情報に応じてインク滴を吐出する複数のインク吐出ノズルを備えたインクジェット記録ヘッドの故障を予測する、インクジェット記録ヘッド故障予測システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
微細なインク吐出ノズルよりインク滴を吐出させ、記録媒体上に画像を記録するインクジェット記録装置は、他方式の記録装置と比較して小型化、低価格化、カラー化が容易であり、記録時の騒音、消費電力が少なくランニングコストが低いなどの特徴を有している。その一方で、インクジェット記録装置は、多数の微細なインク吐出ノズルを搭載しているために、一つ一つのノズルは故障し易く、装置全体の信頼性が低いという問題点があった。特に近年、インクジェット記録装置の記録速度の高速化に伴い、インクジェット記録ヘッドはより多くのインク吐出ノズルを備えるようになってきており、インクジェット記録ヘッド全体としての故障発生確率は高まっている。
【０００３】
故障が発生した場合に顧客に与える損失は、修理までの期間にプリンターの稼動が停止してしまうことである。そのため、故障が発生する前に、交換を推奨する警告を発し、故障前にインクジェット記録ヘッドを交換することで、インクジェット記録装置が停止することを避ける方法が考えられる。
【０００４】
インクジェット記録ヘッドの交換時期警告は、従来は印字ドット数情報に基づいてなされていた。すなわち、インクジェット記録ヘッドの開発段階で得られたインクジェット記録ヘッドの寿命評価試験の結果に、実際の顧客使用環境のバラツキによるマージンと安全率を見込んだマージンを上乗せしてメーカー保証寿命を算出し、その算出結果に基づいて警告を出していた。従って、最悪の使用環境と安全率の為に、平均的な使用状態のものでは、故障発生までにかなりの余裕があるにもかかわらず交換時期警告が表示されるものであった。
【０００５】
ところで、インクジェット記録装置の非稼動期間を減らす他の方法として、故障ノズルが発生しても、補償手段で故障を補いつつ、印字を継続する方法があり、その技術も多く提案されている。
【０００６】
例えば、その一つの方式として、小型の予備ヘッドを備え、ノズル故障部にその小型ヘッドを移動させ、故障部を故障ノズルに代わりに印字する方式である（特許文献１参照）。この方式は、予備ヘッドにより印字することで故障部を完全に修復することができ、画質の低下や印字速度の低下が発生しない方式である。
【０００７】
また、他の方式として、ドット径変調できるインクジェット記録ヘッドにおいて、故障ノズルが発生した場合、その故障ノズルを挟んだ両側のノズルからはドット径の大きいインク滴を吐出して印字を行い、故障ノズルに起因するシロ筋を目立たなくするという方式がある。この方式によれば、予備ノズルは必要なく、印字速度の低下も生じない。
【０００８】
また、他の方式として、カラー印字できるインクジェット記録装置において、黒のインクジェット記録ヘッドに故障が発生した場合、その故障部をカラーのインクジェット記録ヘッドで印字するプロセスブラックで補うものもある。この方式は、黒の故障に対してのみ有効であるが、予備ノズルは必要でなく、印字速度の低下も生じない。
【０００９】
また、他の方式として、マルチスキャンで故障ノズル部を補う方式がある。この方式では、インクジェット記録ヘッドの幅より短い副走査方向の紙送りを行い、故障ノズルで抜けた部分の印字を他のインク吐出ノズルで印字させる方法である。故障ノズルの発生していない通常の場合でも、インク吐出ノズル毎の特性バラツキを低減させるために誤差拡散用のマルチスキャンを行うプリンターも多く、故障ノズル分のデータを補正するだけで実施可能な方法である。
【００１０】
また、インク吐出ノズルが完全な不吐出に達しないまでも、インク滴の噴射能力が劣化して、ドット径が小さくなってしまうこともある。その場合は、駆動素子への入力エネルギーを増大させて、ドット径を元に戻す補正も可能である。ピエゾ型のインクジェット記録ヘッドでは、ピエゾに加えられる振動用波形の電圧振幅を増大させることが行われる。また、サーマル型のインクジェット記録ヘッドでは、ヒーターに加えられるパルスの時間幅を長くすることが行われる。
【特許文献１】特開平０２−２７６６４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、いかなる補償方法で故障ノズルを補償しても、必ずその補償範囲が限界に達する時がくる。すなわち、故障ノズルが増えてその補償限界を超えてしまうと、画質欠陥が露呈してしまう。
【００１２】
小型予備ヘッドを備える方式では、予備ヘッドの幅よりも離れた位置でメインのインクジェット記録ヘッドのインク吐出ノズルが故障すると、予備ヘッドでは補いきれなくなる。場所的に集中して発生する故障モードも多いので、予備ヘッドの幅の中で故障が発生しているうちは故障個所の補償が可能であるが、故障が進行し故障範囲が拡大すると、予備ヘッドのカバー領域を越える時期に到達し、補償限度を超える。
【００１３】
ドット径変調方式では、故障ノズルの両側のドットを大きくして故障個所を埋めるため、隣接するインク吐出ノズルが揃って故障すると補償できなくなる。多数のノズルを持つヘッドの中で隣接ノズルが故障する可能性は低いように考えられるが、実際には、故障原因は場所依存性が高く、隣接ノズルが故障する可能性は高い。また、隣接ノズルの故障でなくとも、この補償方式では、完全に故障ノズルを補償できる訳ではないので、多くのノズルが故障すると画質劣化が許容できなくなる時期に到達する。
【００１４】
プロセスブラックで黒の故障を補償する方式も、完全ではなく、プロセスブラックで合成された黒は、単色の黒より滲みが激しく、文字画質が劣化する。従って、故障ノズルが少ないうちは画質劣化は目立たないが、故障ノズルが増えて来ると、画質劣化が許容できなくなる時期に達する。
【００１５】
マルチスキャンで補償する方式では、故障ノズルが増えると画質劣化が発生する。本来、異なるノズルで一本の線を交互に印字することにより誤差拡散させ、画質を向上させているものを、故障ノズルの分は同じノズルで連続に印字してしまうために画質は劣化する。また、故障ノズルが、副走査方向の用紙送りピッチと同じ間隔で存在すると、故障を補償することが出来なくなる。よって、画質を許容できなくなるか、用紙送りピッチと同じ間隔でノズルが故障することで、補正し切れなくなる時期に到達する。
【００１６】
駆動波形で補償する方式では、補償幅が限定される。すなわち、駆動エネルギーを増大させる方法は、電圧かパルス幅を増大させる方法が一般的であるが、いずれも上限があり、上限に達したところで、補正しきれなくなる。
【００１７】
本発明は、上記事実を考慮してなされたものであり、補償手段での補償の限界時期を精度よく予測することの可能な、インクジェット記録ヘッド故障予測システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記課題を解決するため、請求項１に記載のインクジェット記録ヘッド故障予測システムは、画像情報に応じてインク滴を吐出する複数のインク吐出ノズル、及び故障した故障ノズルを補償する補償手段、を備えたインクジェット記録ヘッドの故障を予測するインクジェット記録ヘッド故障予測システムであって、前記各インク吐出ノズルからのインク滴の吐出に関する故障を検出する故障検出手段と、前記故障検出手段により検出された故障に関する故障情報を記憶する記憶手段と、前記故障情報に基づいて、故障インク吐出ノズル以外のインク吐出ノズルに故障が発生する時期を演算し、この演算結果に基づいて、前記補償手段での補償ができなくなる完全故障時期を予測する故障時期予測手段と、を含んで構成されている。
【００１９】
通常、インクジェット記録ヘッドを構成するインク吐出ノズルや圧力発生部などは、単一の基板、単一の膜上に一括して製造されたり、一括して接合されて製造されたりしている。したがって、同一のインクジェット記録ヘッド内における個々のインク吐出ノズルや圧力発生部については、製造による個体ばらつきは少ないと考えられる。そこで、本発明では、故障検出手段により各インク吐出ノズルからのインク滴の吐出に関する故障を検出する。検出した故障に関する故障情報は、記憶手段に記憶し、故障時期予測手段で故障情報に基づき、故障インク吐出ノズル以外のインク吐出ノズルに故障が発生する時期を演算する。
【００２０】
一般的な寿命評価試験の結果から導かれた故障予測では製造ばらつきを考慮せずに故障予測を行なっているが、これと比較して、本発明では、実際に発生した故障に基づいて故障予測を行なうため、製造による個体ばらつきも加味して故障予測できる。したがって、次の故障ノズルの発生を精度よく予測することができる。
【００２１】
上記のインクジェット記録ヘッドは、補償手段により故障ノズルが補償されるが、故障時期予測手段では、補償手段での補償ができなくなる完全故障時期を予測する。この予測は、上記の演算結果に基づいて行なわれる。したがって、インクジェット記録ヘッドの交換時期を精度よく予測することができる。
【００２２】
なお、本発明のインクジェット記録ヘッド故障予測システムの前記故障情報は、請求項２に記載のように、故障時期、及び、故障のタイプに関する故障モードを含んでいることを特徴とすることができる。
【００２３】
故障モードには、例えば、接合部分の剥がれ、構成部材のクラック発生、構成部材の変質、などの故障のタイプが挙げられる。
【００２４】
このように、故障時期や故障モードに応じて、次のインク吐出ノズルの故障発生時期を演算することにより、より高精度の予測を行なうことができる。
【００２５】
また、本発明のインクジェット記録ヘッド故障予測システムは、請求項３に記載のように、前記完全故障時期予測手段により予測された完全故障時期に応じて、インクジェット記録ヘッドの交換時期に関する情報を出力する交換時期情報出力手段、をさらに備えたことを特徴とすることもできる。
【００２６】
このように、インクジェット記録ヘッドの交換時期に関する情報を出力することにより、ユーザーに対して、適切にインクジェット記録ヘッドの交換時期を通知することができる。
【００２７】
また、本発明のインクジェット記録ヘッド故障予測システムは、請求項４に記載のように、前記記憶手段が、複数種の故障モード毎に層別された故障予測データベースを記憶し、前記故障時期予測手段が、前記故障検出手段により検出された故障情報の故障モードを前記故障予測データベースに照らして、故障インク吐出ノズル以外のインク吐出ノズルに故障が発生する時期を演算することを特徴とすることもできる。
【００２８】
故障時期予測手段は、検出された故障情報に基づいて次のインク吐出ノズルの故障時期を予測するが、次のインク吐出ノズルの故障時期は、故障モードによって異なる。そこで、記憶手段に複数種の故障モード毎に層別された故障予測データベースを記憶し、故障検出手段により検出された故障情報の故障モードを故障予測データベースに照らして、故障インク吐出ノズル以外のインク吐出ノズルに故障が発生する時期を演算する。
【００２９】
上記発明によれば、故障モードに応じてより精度よく故障インク吐出ノズル以外のインク吐出ノズルに故障が発生する時期を演算することができる。
【００３０】
また、本発明のインクジェット記録ヘッド故障予測システムは、請求項５に記載のように、インクジェット記録ヘッドの温度、インクジェット記録ヘッド周囲の湿度、インクジェット記録ヘッドの駆動条件、インク吐出ノズルでの印字数、及び、インクの種類、の少なくとも１つを含む故障加速情報を検出する故障加速情報検出手段、をさらに備え、前記故障予測データベースには、前記故障モード毎に前記故障加速情報に対応する故障加速データが記憶され、前記故障時期予測手段は、検出された前記故障加速情報を前記故障予測データベースに照らして、故障インク吐出ノズル以外のインク吐出ノズルに故障が発生する時期を演算すること、を特徴とすることもできる。
【００３１】
次のインク吐出ノズルの故障時期は、インクジェット記録ヘッドの温度、インクジェット記録ヘッド周囲の湿度、インクジェット記録ヘッドの駆動条件、インク吐出ノズルでの印字数、及び、インクの種類、によっても異なる。したがって、このような条件についてのデータを故障加速データを予め故障予測データベースに記憶しておく。そして、対応する故障加速情報を故障加速情報検出手段で検出し、故障加速情報を故障予測データベースに照らして、故障インク吐出ノズル以外のインク吐出ノズルに故障が発生する時期を演算する。これにより、故障インク吐出ノズル以外のインク吐出ノズルに故障が発生する時期を、より精度よく演算することができる。
【００３２】
また、本発明のインクジェット記録ヘッド故障予測システムは、請求項６に記載のように、前記故障時期予測手段が、インクジェット記録ヘッドの製造ロット、このインクジェット記録ヘッドを構成するヘッドチップのウエハー上のアドレス、の少なくとも１つを含む製造情報を加味して故障インク吐出ノズル以外のインク吐出ノズルに故障が発生する時期を演算すること、を特徴とすることもできる。
【００３３】
製造による個体ばらつきは、インクジェット記録ヘッドの製造ロット、このインクジェット記録ヘッドを構成するヘッドチップのウエハー上のアドレスにより、ある程度予測可能である。すなわち、同一工程で製造されたインクジェット記録ヘッドは共通の故障発生傾向を有しており、また、ウエハー上のアドレスにより所定の故障発生傾向を有する。そこで、上記のように、これらの製造情報を加味して故障インク吐出ノズル以外のインク吐出ノズルに故障が発生する時期を演算することにより、より精度よく演算することができる。
【００３４】
本発明のインクジェット記録ヘッド故障予測システムは、請求項７に記載のように、前記故障情報をメーカーに送信する送信手段と、前記送信された故障情報を受信すると共に、故障情報を集約して管理する管理装置と、をさらに備えたことを特徴とすることもできる。
【００３５】
このように、メーカーに故障情報を集約して管理することにより、インク吐出ノズルの故障傾向が分析でき、今後の開発や、故障予測データベースの更新に役立てることができる。
【００３６】
本発明のインクジェット記録ヘッド故障予測システムは、請求項８に記載のように、前記インクジェット記録ヘッドが、紙幅ヘッドであり、前記補償手段が、紙幅よりも狭い幅の補助ヘッドを故障ノズル位置に配置して故障ノズルに代えてインク滴を吐出する補償方式である場合には、前記完全故障時期を前記インクジェット記録ヘッドのインク吐出ノズルのうち、前記補助ヘッドが配置されない部分のインク吐出ノズルが故障する時期とする、ことを特徴とすることもできる。
【００３７】
上記の補償方式が用いられている場合には、１の故障ノズルと他の故障ノズルとの距離が、補助ヘッドの幅よりも離れた場合には、補償できなくなる。そこで、完全故障時期予測手段での完全故障時期をインクジェット記録ヘッドのインク吐出ノズルのうち、補助ヘッドが配置されない部分のインク吐出ノズルが故障する時期とするものである。
【００３８】
また、本発明のインクジェット記録ヘッド故障予測システムは、請求項９に記載のように、前記補償手段が、分割印字により故障ノズル部分を別のインク吐出ノズルで印字する補償方式である場合には、前記完全故障時期を、分割印字のヘッド送りピッチと同じピッチで複数のインク吐出ノズルが故障する時期とすることを特徴とすることもできる。
【００３９】
上記の補償方式が用いられている場合には、故障ノズル部分を印字するインク吐出ノズルが故障した場合には、補償できなくなる。すなわち、分割印字のヘッド送りピッチと同じピッチで複数のインク吐出ノズルが故障すると、故障ノズル部分を印字することができず、補償できなくなる。そこで、完全故障時期予測手段での完全故障時期を、分割印字のヘッド送りピッチと同じピッチで複数のインク吐出ノズルが故障する時期とするものである。
【００４０】
また、本発明のインクジェット記録ヘッド故障予測システムは、請求項１０に記載のように、前記インクジェット記録ヘッドがドット径変調可能であり、前記補償手段が、故障ノズルに代えて故障ノズルの両側のインク吐出ノズルから通常より大きなインク滴を吐出させる補償方式である場合には、前記完全故障時期を当該両側のインク吐出ノズルが故障する時期とする、ことを特徴とすることもできる。
【００４１】
上記の補償方式が用いられている場合には、故障ノズルの両側のインク吐出ノズルが故障すると、故障ノズル部分を補うように印字することができず、補償ができなくなる。そこで、完全故障時期予測手段での完全故障時期を、故障ノズルの両側のインク吐出ノズルが故障する時期とするものである。
【００４２】
また、本発明のインクジェット記録ヘッド故障予測システムは、請求項１１に記載のように、前記インクジェット記録ヘッドが、少なくとも、ブラック、シアン、マゼンタ、イエローのインク滴を吐出可能とされ、前記補償手段が、ブラックのインク滴を吐出するインク吐出ヘッドのノズルが故障した時にシアン、マゼンタ、イエローインクを重ね印字して、重ね印字ブラックを形成する補償方式である場合には、前記完全故障時期を、ブラックの故障ノズルの数が、重ね印字ブラックの増加により所定の画質を維持できない所定数に達した時期とする、ことを特徴とすることもできる。
【００４３】
上記の補償方式では、ブラックのインク滴に代えてシアン、マゼンタ、イエローインクの混合された重ね印字ブラックが用いられている。重ね印字ブラックは、そのドット数が少なければブラックの代用として充分であるが、ドット数が増加すると、画質が維持できなくなってしまう。そこで、完全故障時期予測手段での完全故障時期を、ブラックの故障ノズルの数が、重ね印字ブラックの増加により所定の画質を維持できない所定数に達した時期とするものである。
【００４４】
また、本発明のインクジェット記録ヘッド故障予測システムは、請求項１２に記載のように、前記故障モードが、ドットの大きさが小さくなるタイプのものであり、その故障モードの補償手段がインク滴を吐出させるために駆動される駆動部に入力するエネルギーを増加させる補償方式である場合には、前記完全故障時期を、駆動部への入力エネルギーが、エネルギー供給手段の上限エネルギーに達する時期とする、ことを特徴とすることもできる。
【００４５】
上記の補償方式では、小さくなってしまったドットを本来のドットにするために、駆動部への供給エネルギーを増加させる。しかしながら、本来のドットにするために供給エネルギーの上限を超えるエネルギーが必要となった場合には、本来大きさのドットを形成することはできず、補償の限界である。そこで、完全故障時期予測手段での完全故障時期を、駆動部への入力エネルギーが、エネルギー供給手段の上限エネルギーに達する時期とするものである。
【００４６】
また、本発明のインクジェット記録ヘッド故障予測システムは、請求項１３に記載のように、前記故障時期予測手段が、故障検出手段により検出された故障情報をワイブル分布に当てはめて故障分布の形状パラメータと特性寿命をもとめ、次のノズル故障時期を予測すること、を特徴とすることもできる。
【００４７】
上記のように、ワイブル分布に基づいて、次のノズル故障時期を予測することにより、精度のよい予測を行なうことができる。
【発明の効果】
【００４８】
本発明は上記構成としたので、補償手段を備えたインクジェット記録ヘッドにおける、補償手段での補償の限界時期を精度よく予測することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
まず、本発明の適用されるインクジェット記録ヘッドの製造工程について説明する。この製造工程により、インクジェット記録ヘッド毎の信頼性のばらつき、すなわち、製造差生じることになる。
【００５０】
図１には、ピエゾ型インクジェット記録ヘッドの製造工程が示されている。ピエゾシート１０１として、薄く成型されたセラミック原料が用いられている。図１（Ａ）の工程では、焼成されてピエゾシート１０１が形成される。その際、原料の微妙な配合比ばらつき、焼成の温度ムラ、厚みムラにより、シート間あるいはシート内のばらつきが発生する。シート内のばらつきは、分布を持ち、近い場所の差は離れた場所の差より少ないのが一般的である。
【００５１】
図１（Ｂ）の工程では、焼成されたピエゾシート１０１を、厚みの均一性を向上させるために研磨する。その際、より強い研磨圧力の掛かった部分は、ピエゾの粒界が乱され、材料内部にひずみが発生する可能性が高くなる。この材料内部の不均一性も、信頼性に影響のある不均一性の一つである。
【００５２】
図１（Ｃ）の工程では、研磨されたピエゾシート１０１に電極層を形成する工程である。このプロセスも、一般に加熱冷却や塗布工程を含み、温度ムラ、塗布厚みムラの原因を含んでいる。
【００５３】
図１（Ｄ）の工程は、電極の形成されたピエゾシート１０１を、個別のピエゾ素子１０１Ａとして切り出す工程である。切り出し工程では、個々のピエゾ素子の大きさがばらつく。
【００５４】
図１（Ｅ）の工程は、ピエゾ素子１０１Ａとインクの流路基板１０２とを、接着剤シート１０３を介して押しつけにより張り合わせる工程である。接着はディスペンサーで塗布しても、シートで転写してもよい。いずれにしても、接着層のばらつきは発生し易く、厚み、濃度等が、ヘッド間あるいはヘッド内でばらつく。
【００５５】
なお、切り出し工程（Ｄ）と張り合わせ工程（Ｅ）は、製造方法によって順序が逆になる場合もあるが、ここでは、切り出し工程（Ｄ）が先の場合を例に挙げている。
【００５６】
図１（Ｆ）の工程は、流路基板１０２とピエゾ素子１０１Ａの張り合わされたものに配線路１０５やインク供給路１０４を接続する工程である。
【００５７】
上記のようにして、単体のインクジェット記録ヘッドが製造される。
【００５８】
図２には、サーマル型のインクジェット記録ヘッドの製造工程が示されている。サーマルインクジェットタイプの場合は、加熱素子、駆動回路、配線が同一基板上にＬＳＩプロセスで形成される方法が主流で、その加熱素子基板に流路基板を張り合わせて作成されるのが一般的である。
【００５９】
図２（Ａ）は、加熱素子基板２０１の製造工程である。シリコンウエハー上にＬＳＩプロセスで加熱素子、駆動回路、配線等が形成される。その際、各種添加物の量の不均一性、加熱プロセスでの温度ムラ、プロセスの時間管理等によってばらつきが発生する。これらのばらつきも、ウエハー間のばらつき、ウエハー内のばらつきがあり、距離的に離れた場所は、近い場所よりも特性差が大きくなる傾向がある。
【００６０】
図２（Ｂ）は、ノズル基板２０２を形成する工程である。ここでは、シリコンウエハーにエッチングでノズルを形成する。なお、ノズルの形成方法としては、樹脂膜にレーザーで穴をあける方法、金属膜にプレス加工で穴を開ける方法等、他の多くの方法がある。このノズルの形成は、インクジェット記録ヘッドの信頼性にはあまり影響を与えない。
【００６１】
図２（Ｃ）は、ノズル基板２０２と加熱素子基板２０１を接合し、基板ペア２０３を構成する接合工程である。この接合には一般に接着剤が用いられ、スピンコートや転写などの方法で、ノズル基板２０２と加熱素子基板２０１が、接着層を介して接合される。ここで接着層の厚みムラ、接合強度のムラが発生すると、信頼性のばらつきが生じる。
【００６２】
図２（Ｄ）は、接合されたノズル基板２０２と加熱素子基板２０１とで構成される基板ペア２０３を切断し、個々のヘッドチップを切り出す工程である。切断はダイジングブレード２０４により行なうことができる。図２（Ｅ）には、切断されて一つ一つに分離されたインクジェット記録ヘッドが示されている。この切断工程は信頼性にはほとんど影響を与えない。インクジェット記録ヘッドの製造方法により、（Ｃ）の接合工程と（Ｄ）の切断工程との順序が逆になる場合もあるが、ここでは先に接合してから、切断している例を示している。
【００６３】
上記のようにして製造されたインクジェット記録ヘッドは、いくつかの故障モードに大別される。以下、噴射の方式毎の故障モードについて説明する。
【００６４】
ピエゾ方式のインクジェット記録ヘッドは、主に次の３つの故障モードを有する。（Ａ）ピエゾの剥離、（Ｂ）ピエゾの割れ  、（Ｃ）ピエゾの変質、である。
（Ａ）ピエゾの剥離は、主にピエゾのシートを流路基板に接着する接着工程（図１（Ｅ）参照）の不均一性によって発生する。図３は、その発生状況の分布例である。１枚のピエゾシートから、２０（Ａ〜Ｔ）×３３（０１〜３３）のピエゾ素子を切り出したインクジェット記録ヘッドにおいて、剥離型故障が発生した位置と時期（単位：駆動パルス数）を示している（空欄の場所は故障が発生していない）。図３からわかるように、インクジェット記録ヘッド周辺部で故障の発生が多発している。接着時の温度または加圧条件のムラなど、製造上の不均一性の影響と、使用時に熱ストレスが周辺部で蓄積することなどが、周辺部に剥離の発生を多発させる要因と考えられる。
【００６５】
（Ｂ）ピエゾの割れは、ピエゾの焼成過程の温度や素材のムラや、研磨過程でのストレスが原因で、初期的には検知できない微小なクラックが内在し、インクジェット記録ヘッドの駆動に伴い、微小なクラックが成長することにより発生すると考えられる。図４には、その発生状況の例が示されている。ピエゾシート毎に発生状況が異なり、１ノズルでも発生したピエゾシートでは、次々と発生する傾向がある。
【００６６】
（Ｃ）のピエゾの変質は、変形の繰り返し、発生する温度、吸湿、水素の吸着、等でピエゾの組成が変性をきたし、当初の性能を発揮できなくなるものである。  ピエゾの変質は、徐々に進行し、噴射力が低下していくものである。このような徐々に故障が進行していくものは磨耗型故障と呼ばれ、ワイブル分布に従うことが知られている。図５に、ピエゾの変質型の故障の増加傾向をワイプルプロットした例を示す。プロットは、グラフ上でほぼ直線になり、ワイブル分布に従うことが確認された。したがって、ワイブル分布に従うことにより、駆動数の増加に伴う故障率の増加を予測することが出来る。
【００６７】
サーマル方式のインクジェットヘッドは、主に次の３つの故障モードを有する。（Ｄ）ヒーターの破壊（キャビテーション型の故障）、（Ｅ）ノズル基板の剥離、（Ｆ）コゲの堆積、である。
【００６８】
（Ｄ）ヒーターの破壊は、キャビテーションによるヒーター保護膜の破壊が原因であり、保護膜の強度、厚みのばらつきに依存する。また、使用するインクによってもキャビテーションの圧力が異なることがある。保護膜の強度は製造ロット依存性があることが知られている。図６は、直線状にノズルを配置したサーマルインクジェット方式のヘッドにおいて、キャビテーション型の故障の発生したノズルを電流値で検出した例である。電流値の低下しているところが故障箇所であり、インクジェット記録ヘッドの両端で故障発生率が高いことがわかる。長いヘッドを切り出すためにウエハーの端部まで使用しているため、保護膜の強度が弱い部分も使用したためと考えられる。
【００６９】
図７は、キャビテーション型の故障について駆動パルス数毎の故障率を求めたものである。この故障も磨耗型故障でワイブル分布にしたがうものであることが確認された。図７に示すように、直線の傾きが立っており、１箇所の故障が生じると次々に故障が進むタイプであることがわかる。したがって、駆動パルス数毎の故障率をワイブル分布にしたがって予測することができる。
【００７０】
（Ｅ）ノズル基板の剥離は、ヒーター基板とノズル基板の接着面が剥離する現象である。接着工程の出来栄えに依存し、同一ウエハーから切り出されたインクジェット記録ヘッドは、似たような剥離故障を起こすことが多く、更に、同一ウエハー内でも近い領域から切り出されたものは、さらによく似た剥離故障を起こす。図８は、一つのウエハーから切り出されたインクジェット記録ヘッドについて、剥離型故障の発生したものを、ウエハー内のアドレスを示すマップ上に示したものである。×印のある位置のものが剥離型故障を発生したもので、一部の領域（左上）に集中して発生していることが確認できる。
【００７１】
（Ｆ）コゲの堆積は、サーマル方式ではヒーターの表面温度が高温に達するので、インク中の成分が焦げてヒーター面に堆積する現象である。コゲが堆積するとヒーターからインクへの熱伝導性が阻害され、噴射エネルギーが弱くなり吐出される液滴の体積が小さくなる。図９に、ドロップ量と駆動パルス数との関係を示している。ドロップ量の低下の曲線はほぼ指数関に従うことが知られている。コゲの堆積に関係するヒーター面の温度のばらつきは、保護膜の厚みばらつき、ヒーターの抵抗値のばらつき、配線抵抗のばらつき等に依存する。また、集中して印字されることが多いと、その領域のインクジェット記録ヘッド温度が上がり、コゲの堆積が速くなるという現象もある。
【００７２】
これらの故障は、使用環境や使用するインクによって故障が加速されることも知られている。ピエゾやヒーターに印加されるエネルギーが高いと、経時的な変化が加速されたり、駆動のストレスが多くなったりして、故障が早く発生する。また、素材の経時的な変化はアレニウス則に従って、温度が高くなると早く進行する性質がある。
【００７３】
次に、故障検知の方法について説明する。故障検知の方法は、従来より多様な方法が考案されている。大別すると２方式で、画像上のドットやインクの飛翔状態など、インクジェット記録ヘッドからの出力を測定するものと、ピエゾやヒーターの電気的な特性を測定する方法である。
【００７４】
画像上のドットから検出する方法は、テストパターンを記録媒体上に印字して、スキャナーで読み取り、ドットの欠落や濃度低下を検出するものである。インクの飛翔状態を検出するものは、インク滴の飛翔速度や大きさを光学センサーで検出して読み取ったり、あるいは衝撃センサーにインク滴を衝突させ、その運動量を読み取ったりする方式である。直接インクジェット記録ヘッドから吐出されたインクを検出するので、判定基準が明確で、誤判定が少ないことが特徴である。逆にインクジェットの液滴は非常に微細で、インク吐出ノズル数も多数あるので、高感度で高速検出可能な検出装置が要求される。
【００７５】
ピエゾやヒーターの電気的特性を測定する方式は、測定システムが簡便で、高速な検出が可能であることから多くの方法が提案されている。ピエゾ素子については、共振周波数、静電容量、誘電損失が良く用いられる代表的な電気特性である。剥離や割れの故障では共振周波数が変化し、ピエゾの変質が発生すると静電容量の低下や誘電損失の上昇が発生する。図１０には、静電容量で測定された各故障モード毎の特性変化の様子が示されている。剥離型の故障は、剥離したことで電気的な接続がえられなくなるため、静電容量がほぼ０（ｐＦ）に突然低下する（または、無限大に突然増加する）。クラック型の故障は、割れ残った部分の面積に依存するが、その残った面積で得られる静電容量の値に突然変化する。ピエゾ変質型の故障は、他の故障モードとは異なり徐々に特性が劣化する。駆動にしたがって内部の変質が徐々に進行するためである。正常なものは一定の値を示している。
【００７６】
また、図１１には、誘電損失で測定された各故障モード毎の特性変化の様子が示されている。誘電損失については、剥離型故障は測定できず、クラック型故障は変化なし、劣化型故障は損失増大という傾向を示す。
【００７７】
また、図１２には、共振周波数で測定された各故障モード毎の特性変化の様子が示されている。共振周波数については、剥離型とクラック型は測定できず、劣化型は共振周波数は高くなるという傾向を示す。
【００７８】
上記のような物理量を測定することにより、故障の有無だけでなく故障モードの判定が可能となる。
【００７９】
サーマルインクジェット方式のヒーターの電気特性は、抵抗値の変化を検出するのが一般的である。ヒーターの破壊が発生すると、発生する瞬間は絶縁層が破壊されて、瞬間的に大電流が流れるが、その後ヒーター全体が焼き切れて、抵抗は無限大になる。図６には、電流値で測定されたヒーター破壊型の故障の様子が示されている。ヒーターが破壊されたものは、電流が流せなくなり、つまり抵抗が無限大になり、電流値または抵抗値で検出が可能である。剥離やこげによる故障は抵抗値変化で検出するのは困難で、先述の印字やインク滴を検出する方法が一般的である。
【００８０】
以上の各故障モード毎の故障に関する特徴を図１３に示す。このように、故障モード毎に、特有の故障傾向を有している。
【００８１】
次に、インクジェット記録ヘッドの、具体的な故障予測システムについて説明する。
【００８２】
［第１の故障予測システム］
まず、第１の故障予測システムとして、ピエゾ型のヘッドを多数つなげて紙幅のヘッドとしたインクジェット記録ヘッドの故障予測システムについて説明する。
【００８３】
図１４に示すように、インクジェット記録装置１０は、装置本体１２を備え、装置本体１２には、紙幅ヘッド１４、及び補助ヘッド１６が搭載されている。紙幅ヘッド１４は、記録媒体Ｐの幅Ｗにわたって印字可能な幅のインクジェット記録ヘッドであり、図１５に示すように、流路基板１０２とピエゾ素子１０１Ａの張り合わされたものに配線路１０５やインク供給路１０４が接続されている単位ヘッド１４Ａをつなげて構成されている。図１６に示すように、単位ヘッド１４Ａには、複数のインク吐出ノズル１８が形成されている。１つのインク吐出ノズル１８に対し１つのピエゾ素子１９が設けられ、ピエゾ素子１９の駆動によりインク滴吐出が行なわれる。
【００８４】
各単位ヘッド１４Ａは、同じ製造ロットで生産され、その特性はほぼ同じである。ここでは、単位ヘッド１４Ａ当たり、５１２個のインク吐出ノズル１８を備えている。紙幅ヘッド１４は、単位ヘッド１４Ａを１２個つなげて構成されている。紙幅ヘッド１４については、極めて高い繋ぎ合せ精度が要求されるため、故障が発生してもユーザーが故障個所を交換することは出来ず、故障が発生した場合、紙幅ヘッド１４全体を交換しなければならない。そのため、補償用のヘッドとして、紙幅方向に移動可能な補助ヘッド１６を備える。補助ヘッド１６は、１つの単位ヘッド１４Ａで構成されている。
【００８５】
インクジェット記録装置１０は、紙幅ヘッド１４のインク吐出ノズル１８からのインク滴吐出に異常が発生した場合（以下異常の発生したインク吐出ノズルを「故障ノズル」という）、その故障箇所に補助ヘッド１６を移動させて補助ヘッド１６で印字するという補償方式（以下「補助ヘッド補償方式」という）を採用している。補助ヘッド補償方式の場合には、補助ヘッド１６で一度に印字できなくなる箇所のインク吐出ノズルに故障が発生した場合に補償不能となり、紙幅ヘッド１４を交換しなければならない完全故障となる。したがって、補助ヘッド１６で一度に印字できなくなる箇所のインク吐出ノズルに故障が発生する時期を予測することになる。
【００８６】
故障予測システム２０は、図１７に示すように、故障検出部２２、ピクセルカウンター２４、環境センサ２６、及び、故障情報メモリ３０を備えている。
【００８７】
故障検出部２２は、インク滴の吐出に異常を来した故障ノズルを検出し、故障時期や故障箇所、故障モードなどの、故障ノズルに関する故障情報を、故障情報メモリ３０に出力する。故障検出方式としては、インク吐出ノズル１８から吐出されるインクをドット径や滴速で測定する方法もあり、この方式を用いてもよいが、ここでは、電気的にピエゾ素子１９の特性を静電容量で測定する方式を採用する。
【００８８】
ピクセルカウンター２４は、各インク吐出ノズル１８の使用量をカウントし、故障情報メモリ３０に出力する。理想的には各インク吐出ノズル１８毎の使用量をメモリに保存することが望ましく、この方法を用いることもできるが、メモリの容量が膨大になるので、ここでは、単位ヘッド１４Ａ毎にインク吐出ノズル１８の使用量の平均値を保持する方式を用いる。
【００８９】
環境センサ２６は、インクジェット記録装置１０内部の紙幅ヘッド１４近傍の温度と湿度を測定し、そのデータを故障情報メモリ３０に出力する。
【００９０】
故障情報メモリ３０は、故障検出部２２、ピクセルカウンター２４、環境センサ２６と接続されており、これら各部から入力された情報を記憶する。
【００９１】
また、故障予測システム２０は、製造情報部３２、及び、故障予測データベース部３４を備えている。
【００９２】
製造情報部３２には、当該紙幅ヘッド１４の製造ロット、ウエハー内のアドレスが記憶されている。
【００９３】
故障予測データベース部３４には、故障予測データベースＤが記憶されている。故障予測データベースＤには、故障検出部２２で検出される特性値から故障モードを判定するためのデータと、各故障モード毎の統計的性質のデータが保存されている。具体的には、図１８に示すように、故障モードを判定するためのデータとして、判定閾値（静電容量）が、故障モード毎（剥離、クラック、ピエゾ変質）に保持されている。また、各故障モード毎の統計的性質のデータとしては、故障予測のための、統計モデル、ワイブルの母数（形状パラメータ）、加速係数（駆動電圧、温度、湿度）が保持されている。これらの値は、開発の段階で多くの寿命試験やシミュレーションから得られる値である。
【００９４】
さらに、故障予測システム２０は、故障ノズル補償部２８、故障時期予測部３６、及び、表示部３８を備えている。
【００９５】
故障ノズル補償部２８は、補助ヘッド１６と接続されており、故障ノズル部分の印字を行なうように補助ヘッド１６を駆動させる。故障時期予測部３６は、故障情報メモリ３０、製造情報部３２、故障予測データベース部３４に記憶された情報に基づいて、紙幅ヘッド１４が完全に故障する完全故障時期を予測する。ここで、完全故障時期とは、補助ヘッド１６によって故障ノズルの補償ができなくなる時期をいい、ここでは、２個目の単位ヘッド１４Ａのインク吐出ノズル１８が故障する時期となる。表示部３８は、故障時期予測部３６と接続されており、故障時期予測部３６で求められたヘッド交換時期の警告を表示する。
【００９６】
次に、故障予測システム２０で紙幅ヘッド１４の交換時期を予測する場合の具体例について説明する。
【００９７】
故障時期予測部３６には、故障検出部２２で検出された静電容量が入力される。故障時期予測部３６は、入力された静電容量値に基づき、故障予測データベースＤを参照して故障モードを判定する（図１９、ステップＳ１０）。例えば、入力された静電容量が３００ｐＦであったとすると、ピエゾ変質型の故障と判定することができる。これにより、故障予測データベースＤのピエゾ変質型の箇所を参照して故障予測が行なわれる。
【００９８】
今、ピクセルカウンター２４でのカウント数が３０億パルス（３０億印字）の時点で、１のインク吐出ノズル１８がピエゾ変質型の故障をしたとする。この故障により、故障ノズルが発生した単位ヘッド１４Ａの場所に補助ヘッド１６が移動して故障ノズルを補償し、インクジェット記録装置１０としては、そのまま稼動しつづける。故障時期予測部３６では、統計モデルに従って、２個目の単位ヘッド１４Ａの故障時期を以下の演算により求める（ステップＳ１２）。
【００９９】
１２個ある単位ヘッド１４Ａのうち１個が故障したので、故障率Ｆ（３０億）＝０．０８３である。ｍ＝２．５のワイブル分布にしたがう故障モードであるので、
０．０８３＝１−Ｅｘｐ（（−３×１０9／η）2.5）
となるηが求められ、η＝７９億パルスとなる。そこから２個目の単位ヘッド１４Ａが故障する時期、つまり故障率Ｆ（ｔ）＝０．１６６になるｔが計算され、
０．１６６＝１−Ｅｘｐ（（−ｔ／７．９×１０9）2.5）
より、ｔ＝４０億パルスとなる。
【０１００】
次に、環境による加速要素を加味して、上記の演算結果を補正する（ステップＳ１４）。例えば、最初の３０億パルスを駆動していたときの平均温度は２５℃であったが、その後平均温度が３０℃になったとすると、５×４％＝２０％の劣化が加速されるので、３８億パルスに補正される。
【０１０１】
そして、補正されたパルス数から、さらに、消費者危険を考慮したマージンを差し引いて、ヘッド交換時期が求められる（ステップＳ１６）。このヘッド交換時期が、表示部３８に出力されて(ステップＳ１８)、ユーザーにヘッド交換の警告が報知される。
【０１０２】
上記の故障予測システム２０によれば、実際に生じた故障に基づいて紙幅ヘッド１４の完全故障時期を求めるので、単に開発上得られた一般データに基づいて完全故障時期を求める場合と比較して、精度よく故障時期を予測することができる。
【０１０３】
もし、本発明の故障予測を用いなかったとすると、顧客の使用中の故障を避けるために、開発上得られた最悪データを元にヘッド交換の警告が出されることになる。一般に故障のデータはばらつきが大きく、最悪のデータを元に交換時期を決めると。非常に無駄が大きくなり、ほとんどのヘッドは故障までに相当量使用できるにもかかわらず交換表示が出てしまうことになる。それを避けるために、本発明は有効である。
【０１０４】
また、故障情報メモリ３０に蓄積された故障情報は、逐次ネットワークを介して、製造元で管理されている故障データ管理装置４０へ出力される。故障データ管理装置４０は、故障情報を受信して、故障情報に関するデータベースを構築する。実際の市場環境で発生した故障に関する故障情報は、製造者にとって貴重な技術情報であり、次の商品開発に利用される。また、蓄積された故障情報に基づいて、故障予測データベースＤを更新することも有効である。
【０１０５】
なお、上記の実施形態では、故障情報をネットワークを介して、製造元で管理されている故障データ管理装置４０へ出力する例について説明したが、故障情報メモリ３０に蓄積された故障情報を、ヘッドの交換時に、紙幅ヘッド１４とともにメーカーで回収し、故障データ管理装置４０へデータを入力してもよい。
【０１０６】
［第２の故障予測システム］
第２の故障予測システムとして、故障ノズルの補償方法が、ドット径変調方式であった場合について記す。この方式では、故障ノズルの両側のノズルから、大きなインク滴を噴射させ、故障ノズルを目立たなくする補償方式である。
【０１０７】
図２０に示すように、インクジェット記録装置５０は、装置本体５２を備え、装置本体５２には、前述のインクジェット記録装置１０と同様の構成の紙幅ヘッド５４が搭載されている。但し、補助ヘッド１６は備えていない。紙幅ヘッド５４は、１２個の単位ヘッド５４Ａで構成されている。紙幅ヘッド５４では、図２１に示すように、例えば、１つのインク吐出ノズル５６Ｂが故障した場合、隣接する両側のインク吐出ノズル５６Ａ、５６Ｃから、大きなインク滴を噴射させる。そのため、故障ノズルに隣接した２つのインク吐出ノズル５６が故障すると、補償が出来なくなり、この時期を完全故障時期として予測することになる。
【０１０８】
故障予測システム６０は、図２２に示すように、故障検出部２２、ピクセルカウンター２４、環境センサ２６、故障情報メモリ３０、故障ノズル補償部２８、故障情報メモリ３０、、製造情報部３２、故障予測データベース部３４、故障時期予測部３６、及び、表示部３８を備えている。
【０１０９】
故障ノズル補償部２８は、各単位ヘッド５４Ａと接続されており、故障ノズルの両側のインク吐出ノズルから大きいインク滴が吐出されるように、各インク吐出ノズル１８を制御している。
【０１１０】
故障時期予測部３６は、故障情報メモリ３０、製造情報部３２、故障予測データベース部３４に記憶された情報に基づいて、紙幅ヘッド１４が完全に故障する完全故障時期を予測する。ここでの完全故障時期は、故障ノズルの両側のインク吐出ノズル１８が故障して、故障ノズルの補償ができなくなる時期をいい、故障ノズルが増えていき、隣接した２つのインク吐出ノズル１８が故障する確率がある設定値を超える時期とする。
【０１１１】
次に、故障予測システム６０でインクジェット記録ヘッド５４の交換時期を予測する場合の具体例について説明する。
【０１１２】
補償方式が、ドット変調方式の場合には、隣接する２つのインク吐出ノズルについては単位ヘッド５４Ａ内だけで考えればよい。５１２個のインク吐出ノズル５６内がランダムに故障し、例えば、隣接するインク吐出ノズル５６が故障する確率が１０％を超えたら警告を出すとする。Ｎ個のノズルのうちｍ個が故障し、次のｍ＋１個目が故障したものが隣接にならない確率は、Ｐ（ｍ）＝（Ｎ−３ｍ）／（Ｎ−ｍ）である。分母のＮ−ｍは正常なインク吐出ノズルの数で、分子のＮ−３ｍは故障ノズルとその両側のインク吐出ノズルを合わせた３ｍ以外のインク吐出ノズルが壊れるのなら故障が連続しないからである。厳密には、両端のノズルを考慮する必要があるが、インク吐出ノズル数が十分多ければこの式で代用できる。インク吐出ノズルが５１２個ある単位ヘッドで隣接のインク吐出ノズルが故障する確率が１０％以下である故障数は容易に計算できて、２４個までの故障が許容できることになる。
【０１１３】
次に、第１の故障予測システムと同様にして、実際に故障した故障ノズルの故障時期・故障モード、及びと故障予測モードデータベースから、２５個目の故障が発生する時期を算出する。このドット径変調方式では、多数のインク吐出ノズルが故障することを許容できるので、ワイブル分布の形状パラメータｍも、故障検出部２２で検出された故障情報から求めた方がより正確となる。図２３には、あるインクジェット記録ヘッドにおいて、１００億パルスで２４ノズル故障した例が示されている。この故障データをワイブルプロットしたものが図２４であり、ｍ＝２．４８６、η＝３．４３８×１０10と求まる。これより２５個目のインク吐出ノズルが壊れるパルス数を求めると１．０３１×１０10と求まる。したがって１０３．１億パルスでヘッド交換の警告を出せば、隣接する２つのインク吐出ノズルが故障する確率が１０％以下で、ユーザーにヘッドの交換を促すことができる。
【０１１４】
なお、ここでも、第１の故障予測システムと同様にして、故障情報メモリ３０に記録された故障情報を、製造元の故障データ管理装置４０出力してもよい。
【０１１５】
［第３の故障予測システム］
第３の故障予測システムとして、インクの噴射能力が劣化してドット径が小さくなった場合に、駆動素子への入力エネルギーを増大させて、ドット径を元に戻す補償方式に適用されるものついて述べる。
【０１１６】
インクジェット記録装置６０は、サーマル型のプリンターであり、図２５に示すように、装置本体６２を備えている。装置本体６２には、記録媒体Ｐの幅方向に移動しながら印字するインクジェット記録ヘッド６４が搭載されている。
【０１１７】
図２６には、サーマル型のインクジェット記録ヘッドで駆動パルス数に依存してインク滴のドロップ量が減少し、それを駆動パルスで補正する場合の、ドロップ量変動の例が示されている。ドロップ量の変動は、ヒーター上にコゲが堆積して熱伝導が阻害されるために引き起こされる。このドロップ量の減少を補うため、初期波形→補正波形１→補正波形２、の順で駆動パルスの長さを長くしてエネルギー量を増やし、ドロップ量を補正している。図２５では、ドロップ量１０（ｐｌ）〜８（ｐｌ）が維持されるように波形を補正しているが、駆動波形は回路上の制約から補正波形２よりも長くすることが出来なくなっている。したがって、補正波形２で８（ｐｌ）を下回る時点が、補償の限界であり、ヘッド交換の警告を出す。
【０１１８】
このインク滴量の減少は、指数関数に従うことが知られている。従って、故障時期予測部３６では、定期的に測定されたインクのドロップ量の変動を指数関数に近似的にあてはめ、求まった式から８（ｐｌ）に液滴量が減少するパルス数を求める。図２５の補正波形２の部分Ｈは、近似的にドロップ量（Ｖｏｌ）とパルス数（ｎ）の関係を、Ｖｏｌ＝１４．７×Ｅｘｐ（−９×１０-10×ｎ）と近似でき、８（ｐｌ）までドロップ量が減少する時期は、６．７６×１０8パルスと求まる。したがって、６．７６×１０8パルスからマージンを引いたパルス数で警告を出せば、ドロップ量減少による画質劣化を防ぐことができる。
【０１１９】
なお、ここでも、第１の故障予測システムと同様にして、故障情報メモリ３０に記録された故障情報を、製造元に提供してもよい。
【０１２０】
［第４の故障予測システム］
第４の故障予測システムとして、補償方式が、分割印字により故障ノズル部分を別のインク吐出ノズルで印字するものの場合について説明する。分割印字は、副走査方向に並ぶＮ個のノズルを分割し、主走査方向の１列のドットを異なるノズルから吐出されるドットで構成するものである。図２７に示す例では、Ｎ個のノズルを２分割し、記録エリアＧのドットは、Ａ群のノズルで走査（１スキャン目、図中では白ドットで表示）が行なわれた後、Ｂ群のノズルで走査（２スキャン目、図中では黒ドットで表示）が行なわれて記録されている。この分割印字は、各ノズルの噴射方向性などの特性バラツキをドット列のなかで拡散させ、画質の不良を目立ちにくくさせる技術である。
【０１２１】
分割印字を行なっている場合、故障ノズルが発生したときには、その故障ノズルを検出し、そのノズルと同じドット列を印字するノズル、すなわちヘッド送りピッチだけ離れたノズルに、その故障ノズルのデータも肩代わりさせることによって、ドットの抜けを発生させることなく印字することが可能である。例えば、図２８に示すように、Ａ群の５個目のノズルＡ５と、Ｂ群の２個目のノズルＢ２が故障した場合、記録エリアＧの５番目の主走査ラインＬ５はすべて２スキャン目にＢ群の５個目のノズルＢ５で記録され、記録エリアＧの２番目の主走査ラインＬ２はすべて１スキャン目にＡ群の２個目のノズルＡ２で記録される。このようにして記録した場合、上述の特性バラツキを拡散させる効果はなくなるが、全ノズルの中のわずかなノズルであれば、画質に与える影響はわずかであり、全体の画質としては許容される。
【０１２２】
しかし、故障ノズルがヘッド送りピッチと同じピッチで存在すると、故障ノズルによる抜けを補うノズルがなくなり、画像抜けが発生してしまう。例えば、図２９に示すように、ノズルＡ５とＢ５の両方が故障してしまうと、走査ラインＬ５を記録できるノズルがなくなってしまい、この分割印字による補償方式では補償することが出来なくなって完全故障となる。
【０１２３】
このような補償方式の場合の第４故障予測システムでの故障予測は、以下のようにして行なうことができる。
【０１２４】
例えば、５１２個のインク吐出ノズルをもち、ヘッド送りピッチが２５６ノズル幅であるプリントシステムの場合について、完全故障確率が１０％に達したら、警告を出す場合について説明する。Ｎ個のノズルのうちｍ個が故障し、次のｍ＋１個目の故障が、既に故障しているインク吐出ノズルとヘッド送りピッチで重ならない確率は、Ｐ（ｍ）＝（Ｎ−２ｍ）／（Ｎ−ｍ）である。分母のＮ−ｍは正常なインク吐出ノズルの数で、分子のＮ−２ｍは故障ノズルと故障ノズルからヘッド送りピッチずれたインク吐出ノズルを合わせた２ｍ以外のインク吐出ノズルが壊れるのなら、故障ノズルを補うことが出来るからである。インク吐出ノズルが５１２個ある単位ヘッドで、ヘッド送りピッチずれたインク吐出ノズルが故障する確率が１０％以下である故障数は容易に計算でき、４６個までの故障が許容できることになる。
【０１２５】
次に、第１の故障予測システムと同様にして、実際に故障した故障ノズルの故障時期・故障モード、及びと故障予測モードデータベースから、４７個目の故障が発生する時期を算出する。図２４で得られた、ｍ＝２．４８６、η＝３．４３８×１０10である故障分布に従うとすると、４７個目のインク吐出ノズルが壊れるパルス数は、１．３４１×１０10と求まる。したがって１３４．１億パルスでヘッド交換の警告を出せば、ヘッド送りピッチずれたインク吐出ノズルが故障する確率が１０％以下で、ユーザーにヘッドの交換を促すことができる。
【０１２６】
［第５の故障予測システム］
第４の故障予測システムとして、補償方式が、ブラックのインク滴を吐出するインク吐出ヘッドのノズルが故障した時にシアン、マゼンタ、イエローインクを重ね印字して、重ね印字ブラックを形成する補償方式である場合について説明する。この補償方式の場合には、重ね印字ブラック印字の増加により所定の画質が維持できなくなった時点で、完全故障となる。
【０１２７】
出願人の調査によると、ランダムに故障した場合に、全ブラックノズルの５％が故障した時点で、画質に満足しないユーザーが１０％以上になる。したがって、全ノズルの５％が故障した時期を完全故障時期とすることが適当である。また、カラーヘッドと比較してブラックヘッドは使用率が数倍高く、カラーヘッドより故障する確率が高いので、この補償方式が有効に働くケースは多い。また、補助ヘッドを使う補償方式をカラーヘッドのみに適用し、ブラックは重ね印字ブラックで補償する方式も、全体のコストを低減するために有効な方法である。
【０１２８】
５１２個のインク吐出ノズルをもち、そのうちの５％のノズルが故障したら、完全故障とする場合について説明する。許容される故障数は、５１２×０．０５＝２５．６で、２５個の故障まで許容される。図２４で得られた、ｍ＝２．４８６、η＝３．４３８×１０10である故障分布に従うとすると、２６個目のインク吐出ノズルが壊れるパルス数は、１．０４８×１０10と求まる。したがって１０４．８億パルスでヘッド交換の警告を出せば、画質に満足しないユーザーが１０％以下のレベルで、ヘッドの交換を促す警告を出すことができる。
【０１２９】
以上示したように、本発明の故障予測システムによれば、実際にインクジェット記録装置が顧客の下で動作している状態における、インク吐出ノズルの故障情報を用いて完全故障時期を予測するので、高精度に補償手段が機能しなくなる時期を求めることができる。これにより、インクジェット記録装置の非稼動時間を短くすることができると共に、高価なヘッドの寿命を余分なマージンをとらずに最後まで有効に使用することができる。さらには、その故障データを製造者が回収することによって、貴重な市場での故障データを収集することができ、製造者は次の開発に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１３０】
【図１】ピエゾ型インクジェット記録ヘッドの製造工程を示す図である。
【図２】サーマル型のインクジェット記録ヘッドの製造工程を示す図である。
【図３】剥離型故障を引き起こしたピエゾ素子のピエゾシート内における発生分布を示す図である。
【図４】ピエゾシート毎のクラックの発生状況を示す表である。
【図５】ピエゾの変質型の故障の増加傾向をワイプルプロットしたグラフである。
【図６】直線状にノズルを配置したサーマルインクジェット方式のヘッドにおいて、キャビテーション型の故障の発生したノズルを電流値で検出した例を示すグラフである。。
【図７】キャビテーション型の故障について駆動パルス数毎の故障率を求めたグラフである。
【図８】一つのウエハーから切り出されたインクジェット記録ヘッドについて、剥  離型故障の発生したものを、ウエハー内のアドレスを示すマップ上に示したものである。
【図９】ドロップ量と駆動パルス数との関係を示すグラフである。
【図１０】静電容量で測定された各故障モード毎の特性変化の様子を示すグラフである。
【図１１】誘電損失で測定された各故障モード毎の特性変化の様子を示すグラフである。
【図１２】共振周波数で測定された各故障モード毎の特性変化の様子を示すグラフである。
【図１３】各故障モード毎の故障に関する特徴の一覧である。
【図１４】第１の故障予測システムの適用されるインクジェット記録装置の概略図である。
【図１５】第１の故障予測システムの適用されるインクジェット記録ヘッドの概略図である。
【図１６】第１の故障予測システムの適用されるインク吐出ノズル及びピエゾ素子の概略図である。
【図１７】第１の故障予測システムの概略ブロック図である。
【図１８】故障予測データベースの例である。
【図１９】故障時期予測部での完全故障時期予測の手順を示す図である
【図２０】第２の故障予測システムの適用されるインクジェット記録装置の概略図である。
【図２１】第２の故障予測システムでの故障ノズルとその両側のインク吐出ノズルとの位置関係を示す図である。
【図２２】第２の故障予測システムの概略ブロック図である。
【図２３】あるインクジェット記録ヘッドにおいて、１００億パルスで２４ノズル故障した例を示す表である。
【図２４】あるインクジェット記録ヘッドにおいて、１００億パルスでの２４ノズルの故障データをワイブルプロットした図２４である。
【図２５】第３の故障予測システムの適用されるインクジェット記録装置の概略図である。
【図２６】サーマル型のインクジェット記録ヘッドで駆動パルス数に依存してインク滴のドロップ量が減少し、それを駆動パルスで補正する場合の、ドロップ量変動の例を示すグラフである。
【図２７】第４故障予測システムの分割印字についてのノズルの並びと記録ドットの関係を示す図である。
【図２８】第４故障予測システムの分割印字について、故障ノズルと記録ドットの関係を示す図である。
【図２９】第４故障予測システムの分割印字について、ヘッド送りピッチだけ離れたノズルが故障した場合の故障ノズルと記録ドットの関係を示す図である。
【符号の説明】
【０１３１】
１０  インクジェット記録装置
１４  紙幅ヘッド
１４Ａ  単位ヘッド
１６  補助ヘッド
１８  インク吐出ノズル
１９  ピエゾ素子
２０  故障予測システム
２２  故障検出部
２４  ピクセルカウンター
２６  環境センサ
２８  故障ノズル補償部
３０  故障情報メモリ
３２  製造情報部
３４  故障予測データベース部
３６  故障時期予測部
３８  表示部
４０  故障データ管理装置
５０  インクジェット記録装置
５４  インクジェット記録ヘッド
５４  紙幅ヘッド
５４Ａ  単位ヘッド
６０  インクジェット記録装置
６０  故障予測システム
６４  インクジェット記録ヘッド
Ｄ    故障予測データベース
【図１】
2006088391.tif 000003
【図２】
2006088391.tif 000004
【図３】
2006088391.tif 000005
【図４】
2006088391.tif 000006
【図５】
2006088391.tif 000007
【図６】
2006088391.tif 000008
【図７】
2006088391.tif 000009
【図８】
2006088391.tif 000010
【図９】
2006088391.tif 000011
【図１０】
2006088391.tif 000012
【図１１】
2006088391.tif 000013
【図１２】
2006088391.tif 000014
【図１３】
2006088391.tif 000015
【図１４】
2006088391.tif 000016
【図１５】
2006088391.tif 000017
【図１６】
2006088391.tif 000018
【図１７】
2006088391.tif 000019
【図１８】
2006088391.tif 000020
【図１９】
2006088391.tif 000021
【図２０】
2006088391.tif 000022
【図２１】
2006088391.tif 000023
【図２２】
2006088391.tif 000024
【図２３】
2006088391.tif 000025
【図２４】
2006088391.tif 000026
【図２５】
2006088391.tif 000027
【図２６】
2006088391.tif 000028
【図２７】
2006088391.tif 000029
【図２８】
2006088391.tif 000030
【図２９】
2006088391.tif 000031