(57)【要約】【課題】  吐出ノズルと非吐出ノズルの温度差が抑えられて画像の濃度ムラが抑制されたインクジェット記録装置を提供する。【解決手段】  インクジェット記録装置において、ヒータから吐出インクがノズル内を通過する際に吸収する熱量を予測し、これに基づいて印字中の非吐出ノズルに対する短パルス加熱量を決定する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱手段の発熱によりインク滴を吐出するノズルを列状に配置したノズル列を少なくとも１列有する記録ヘッドを備え、前記ノズル列方向に対して略垂直方向に前記記録ヘッドまたは記録媒体を移動させて記録を行うインクジェット記録装置において、
印字を行うためのインク滴の吐出を伴う第１の加熱信号の発生手段と、インク滴の吐出に至らない第２の加熱信号の発生手段と、印字データに基いてラスタ毎に前記ノズルの加熱手段に前記第１の加熱信号あるいは前記第２の加熱信号のどちらを印加するかを選択して前記ノズルの加熱手段に印加する加熱信号生成印加手段と、を備え、前記第２の加熱信号の発生手段は、前記ノズルの加熱手段に前記第１の加熱信号が印加された場合の、前記ノズルの加熱手段の近傍を吐出インクが通過する際に吸収する熱量を予測する吐出インク吸熱量予測手段を備え、前記吐出インク吸熱量予測手段によって予測された吸熱量に基いて、前記第２の加熱信号による加熱量を決定することを特徴とするインクジェット記録装置。
【請求項２】
前記第２の加熱信号の発生手段は、前記第１の加熱信号による加熱量から、前記吐出インク吸熱量予測手段によって予測された吸熱量を差し引いた熱量を、前記第２の加熱信号による加熱量とす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。
【請求項３】
前記第２の加熱信号の発生手段は、前記第１の加熱信号による加熱量から、前記吐出インク吸熱量予測手段によって予測された吸熱量を差し引いた熱量と、吐出に至らない最大の加熱量とで、小さい方を前記第２の加熱信号による加熱量とす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。
【請求項４】
前記第２の加熱信号は矩形状のパルス信号であり、前記第２の加熱信号による加熱量は、前記パルス信号のパルス幅を変更することにより調整され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。
【請求項５】
前記吐出インク吸熱量予測手段は、前記ノズルの加熱手段への前記第１の加熱信号の印加によって前記ノズルから吐出インクが持ち出す流出熱量と、前記ノズルに流入するインクが持ち込む流入熱量と、を予測し、前記流出熱量から前記流入熱量を差し引いた熱量を前記吐出インクの吸熱量とすることを特徴とする請求項１，２，３に記載のインクジェット記録装置。
【請求項６】
前記吐出インク吸熱量予測手段は、前記ノズルの加熱手段から直接的に吐出インクが吸収する熱量を吸熱量データとして予めラスタ毎に備えておいて、各ラスタにおいて前期吸熱量データを参照して吐出インク吸熱量の予測値とすることを特徴とする請求項１，２，３に記載のインクジェット記録装置。
【請求項７】
前記吐出インク吸熱量予測手段は、ノズル温度とノズルに流入するインク温度とを予測または検知し、前記ノズル温度と吐出インク容量とインクの比熱とから前記流出熱量を求め、前記ノズルに流入するインク温度と吐出インク容量とインクの比熱とから前記流入熱量を求めることを特徴とする請求項５に記載のインクジェット記録装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プリンター、ＦＡＸ、複写機などの画像形成装置に利用されるインクジェット記録装置に関し、より具体的には、記録媒体への印字中に非吐出ノズルの加熱手段に印加する、吐出に至らない加熱信号による加熱量の制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
インクジェット記録装置は、記録ヘッドからインクを吐出し記録媒体に付着させて印字等の画像記録を行うものであり、記録ヘッドのコンパクト化が容易であり、高精細な画像を高速で記録することができ、ランニングコストが安く、ノンインパクト方式であるため騒音が少なく、しかも、多色のインクを使用してカラー画像を記録するのが容易であるなどの利点を有している。
【０００３】
インクジェット記録ヘッドにおいてインクを吐出するためのエネルギーを発生するエネルギー発生手段としては、ピエゾ素子などの電気機械変換体を用いたもの、あるいは発熱抵抗体を有する電気熱変換素子によって液体を加熱させるものなどがある。
【０００４】
その中でも熱エネルギーを利用（膜沸騰現象を利用）して液体を吐出させる方式（いわゆるバブルジェット（登録商標）方式）の記録ヘッドは、上記液体吐出口を高密度に配列することができるために高解像度の記録をすることが可能である。
【０００５】
このようにインクジェット記録装置は、優れた記録手段として幅広い産業分野で需要が高まっている。
【０００６】
一方、インクジェット記録装置により記録媒体上に形成される画像は、温度変化に応じて画像濃度が変動しやすいという問題がある。その原因はインクの組成が温度変化に対して敏感である結果、画像形成の際に吐出量が温度条件で変化してしまうためである。すなわち、温度が上昇すると、インクの粘度低下を招き、吐出量が増大する。
【０００７】
特に、電気熱変換体を発熱させ、インクを沸騰させてその圧力でインク吐出を行うバブルジェット（登録商標）方式の記録ヘッドを用いるインクジェット記録装置の場合、インクを急激に昇温させるため、画像の濃度変動が大きいという問題もある。
【０００８】
例えば、記録を開始するとヘッド温度が急激に上昇し、その記録を続けるうちに、記録開始の直後よりも徐々にインク吐出のための条件が変化してしまうことになり、画像に乱れが生じてくる。逆に、しばらく記録をしないでおくと、再びヘッド温度が低下し、インク粘度が上昇し吐出量が低下してしまうこともある。
【０００９】
このような温度変化に対して、インクの吐出状態を安定させる方法としては、インクを吐出しない範囲のパルス幅または電圧により電気熱変換体を予備的に発熱させておくことにより、ヘッド温度を上昇させる方法がある（例えば、特許文献１参照）。このような加熱を記録前に行うことにより、記録直前のヘッド温度を上昇させておくことができ、記録開始直後の画像濃度が上昇し、記録を続けた場合の温度との差を小さくすることができるため、形成画像にムラを生じさせにくくすることができる。
【００１０】
しかしながら、インクジェット記録装置の高速化、また高精細化が進むに連れて、ヘッドのノズル数が増大していく傾向がある昨今、記録前にヘッドを単に加温しているのみでは、吐出を頻繁に行ったノズルとほとんど吐出を行わなかったノズルとがある場合、各ノズルの間に生じる温度差によりそれぞれのノズルから吐出されるインク滴の体積に差が生じてしまい、画像にムラが生じることがある。
【００１１】
このような温度差を制御する方法として印字中に記録に係わるヒータ以外のヒータにはインクを吐出しない範囲のパルス幅（いわゆる短パルス）の信号を印加することにより温度の安定を図ることがなされている。（例えば、特許文献２参照）
【特許文献１】特公平５−３０６２７号公報
【特許文献２】特開２００１−２３９６５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、インクの吐出を伴う印字パルス信号が連続して印加される吐出ノズルと、インクが吐出しない短パルス信号が連続して印加される非吐出ノズルとでは、吐出インクが持ち出す熱量の変化によって昇温カーブに差が生じ、印字中に吐出ノズルと非吐出ノズルの温度差が拡大する恐れがある。以下、このことに関して図９の昇温カーブに基いて詳細に説明する。
【００１３】
記録媒体への記録開始後は、前述した記録前の予備加熱を行ったとしてもノズル温度は上昇していき、これに伴って吐出インクがノズルから吸熱してヘッド外へ持ち出す熱量も増大していく。インクが吐出するノズルのヒータに印加する印字パルス幅は通常固定されており、吐出ノズルのヒータへの投入電力は一定であるため、吐出インクがヘッド外部に持ち出す熱量が増大すると、その分ヘッド内部に追加で蓄積していく熱量が減っていき、記録が進むにつれて吐出ノズルの昇温カーブの傾きは緩くなる傾向にある（時定数が短い）。
【００１４】
一方、非吐出ノズルに印加される短パルスの幅は印字パルスよりも短いため、ヒータへの投入電力も吐出ノズルに比べて小さく、記録開始直後は吐出ノズルに対して昇温が低めになる傾向にあるが、印字中でも吐出を伴わないためヘッド内部に追加で蓄積していく熱量はあまり変化せず（時定数が長い）、記録が進むにつれて昇温が減速していく吐出ノズルと温度が逆転し、その後も記録終了まで温度差が拡大してしまう。
【００１５】
吐出ノズルと非吐出ノズルの温度差が拡大すると、非吐出ノズルに印字パルス信号が印加されたときにノズル間の温度差によってインク吐出量に差が生じてしまう。
【００１６】
すなわち、濃度ムラを抑えるために非吐出ノズルに短パルス信号を印加しても、印字が長引くほど画像の濃度ムラを発生させてしまうという問題があった。
【００１７】
そこで本発明の目的は、インクを吐出しない範囲の短パルス信号を印加する非吐出ノズルの過剰な昇温を抑えて吐出ノズルとの温度差を最小限に抑えることができ、ノズル間の温度差に起因する画像の濃度ムラを抑制するインクジェット記録装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、上述の目的を達成するために想起されたものであり、本発明のインクジェット記録ヘッドは、加熱手段の発熱によりインク滴を吐出するノズルを列状に配置したノズル列を少なくとも１列有する記録ヘッドを備え、前記ノズル列方向に対して略垂直方向に前記記録ヘッドまたは記録媒体を移動させて記録を行うインクジェット記録装置において、
印字を行うためのインク滴の吐出を伴う第１の加熱信号の発生手段と、インク滴の吐出に至らない第２の加熱信号の発生手段と、印字データに基いてラスタ毎に前記ノズルの加熱手段に前記第１の加熱信号あるいは前記第２の加熱信号のどちらを印加するかを選択して前記ノズルの加熱手段に印加する加熱信号生成印加手段と、を備え、前記第２の加熱信号の発生手段は、前記ノズルの加熱手段に前記第１の加熱信号が印加された場合の、前記ノズルの加熱手段の近傍を吐出インクが通過する際に吸収する熱量を予測する吐出インク吸熱量予測手段を備え、前記吐出インク吸熱量予測手段によって予測された吸熱量に基いて、前記第２の加熱信号による加熱量を決定することを特徴とする。
【００１９】
また、前記第２の加熱信号の発生手段は、前記第１の加熱信号による加熱量から、前記吐出インク吸熱量予測手段によって予測された吸熱量を差し引いた熱量を、前記第２の加熱信号による加熱量とすることを特徴とする。
【００２０】
もしくは、前記第２の加熱信号の発生手段は、前記第１の加熱信号による加熱量から、前記吐出インク吸熱量予測手段によって予測された吸熱量を差し引いた熱量と、吐出に至らない最大の加熱量とで、小さい方を前記第２の加熱信号による加熱量とすることを特徴とする。
【００２１】
また、前記第２の加熱信号は矩形状のパルス信号であり、前記第２の加熱信号による加熱量は、前記パルス信号のパルス幅を変更することにより調整されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
以上の構成が特徴の本発明によれば、加熱手段であるところのヒータから吐出インクがノズル内を通過する際に吸収する熱量を予測し、これに基いて第２の加熱信号であるところの短パルス信号による加熱量を決定するようにしたので、ノズルが昇温して吐出インクの吸熱量が増えても、その分短パルス信号による加熱量を減らしてヘッド内部に過剰に蓄熱することが無いようにでき、その結果、吐出ノズルと非吐出ノズルの温度差が抑えられて画像の濃度ムラが抑制されたインクジェット記録装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
（第１実施例）
図１は本発明の第１実施例のインクジェット記録装置におけるヘッド駆動部の概略構成を表すブロック図である。本実施例のインクジェット記録装置におけるヘッド駆動部は主に、記録ヘッド１と、画像生成回路２と、ヘッド駆動信号生成回路３と、印字パルス発生回路４と、短パルス発生回路５と、ヘッドコントローラ６とにより構成される。
【００２４】
同図において、画像生成回路２は、元となる画像データや文書データ等に基いてラスタライズを行い、結果を図２に示すようにラスタデータとしてヘッド駆動信号生成回路３に出力する。また、印字パルス発生回路４は、高さＶｈ（Ｖ），幅ｐｗ１（秒）と定められた印字パルスを図２に示すように吐出クロックに同期させて連続的に発生させ、ヘッド駆動信号生成回路３に出力する。また、短パルス発生回路５は、ヘッドチップに内蔵された温度センサによって検出された温度データを元に、吐出ノズルと非吐出ノズルの温度差が最小となるように、各ラスタ毎に短パルスの最適幅ｐｗ２を求め、図２に示すように吐出クロックに同期させて連続的に発生させ、ヘッド駆動信号生成回路３に出力する。ｐｗ２を求める、より詳細な方法は後述する。
【００２５】
ヘッド駆動信号生成回路３は、ラスタデータが「１」であれば印字パルスを取り出し、ラスタデータが「０」であれば短パルスを取り出して吐出クロックに同期させて連結し、駆動信号としてノズルアドレス信号と合わせてヘッドコントローラ６に出力する。
【００２６】
ヘッドコントローラ６は記録ヘッド１の各ノズルをアドレス信号に基きブロック単位でまとめて、ブロック毎に一括して駆動信号をブロックの各ノズルのヒータに印加する。
【００２７】
なお、記録ヘッド１は複数のヘッドチップを直列方向に並べて搭載したフルライン型のヘッドとして表しているが、ヘッドチップが1枚または複数枚を並列方向に並べて搭載したシリアル型のヘッドでも構わない。
【００２８】
図３は本実施例のインクジェット記録装置におけるヘッドチップ周りの構造を表す平面図および断面図である。
【００２９】
ヘッドチップ２０は、インク供給口２１をベースプレート１０に形成されたインク供給路１１と合わせるようにしてベースプレート１０に接着固定されている。ヘッドチップ２０には２列のノズル列２２，２３がインク供給側と反対の面に形成されている。ノズル列２２，２３はインク供給口２１を共有し、インク供給路１１を通じてインクが供給される。ノズル列２２は６００ｄｐｉのピッチで設けられ、このノズル列２２のノズル間を補完する形でノズル列２３がノズル列２２と同一ピッチで設けられており、２列で１２００ｄｐｉの印字が可能となっている。
【００３０】
ノズル列２２，２３に供給されたインクは各ノズルのヒータに印加される印字パルス信号によって相変化による気泡が発生し、インク滴が吐出口から押し出される。このとき、インク滴はノズル内部でヒータから熱を奪ってヘッド外部に持ち出す。ヒータに短パルス信号が印加されるノズルとの放熱経路の違いは主にこの吐出インクが持ち出す熱の有無であり、これを正確に見積もって短パルスの幅に反映させることによって非吐出ノズルの昇温カーブを吐出ノズルの昇温カーブとほぼ等価なものにすることができる。
【００３１】
吐出インクがヒータから奪う熱は、ヒータ・インク間の熱流束をヒータ全面および１吐出周期に渡って積分したものであるが、ヒータ・インク間の熱流束を検出することは困難であるため、ノズル内のインクの熱収支、すなわちノズルから流出するインクとノズルに流入するインクの熱量の差分を見積もることで代用する。本実施例では、ヘッドチップ２０に内蔵されたノズル列に隣接する4箇所の温度センサ３１の検出結果からノズル温度（＝吐出インクの温度）を推測し、インク供給口に隣接する4箇所の温度センサ３２の検出結果からノズルに流入するインクの温度）を推測して、その差分ΔＴｎｚに吐出インクの熱容量（＝インク滴の容積Ｕｉ×インクの比熱Ｃｉ）を乗じたものを吐出インクがヒータから奪う熱Ｑｉｏｕｔとする。
【００３２】
Ｑｉｏｕｔ＝Ｕｉ・Ｃｉ・ΔＴｎｚ      （式１）
温度センサ３１，３２の検出結果からノズル温度と流入インク温度を推測する方法としては、例えば温度センサから温度推測部までを分布定数モデルとしてモデル化して推定するといった手法が考えられる。
【００３３】
印字パルスの加熱量Ｑｈから吐出インクがヒータから奪う熱Ｑｉｏｕｔを差し引いたものを短パルスの加熱量Ｑｓｐとすることで、Ｑｓｐがインクの吐出によってヘッドチップ内部に蓄積する熱量にほぼ一致し、吐出ノズルと非吐出ノズルの温度差を最小限に抑えることができる。
【００３４】
Ｑｓｐ＝Ｑｈ−Ｑｉｏｕｔ      （式２）
このときの短パルス幅ｐｗ２は、印字パルス幅ｐｗ１から次式のように算出される。
【００３５】
ｐｗ２＝ｐｗ１（１−Ｑｉｏｕｔ／Ｑｈ）      （式３）
ただし、吐出に至らない限界の最大短パルス幅ｐｗ２ｍａｘを超えないように、短パルス幅ｐｗ２は最終的に次式のように算出される。
【００３６】
ｐｗ２＝ＭＩＮ（（ｐｗ２ｍａｘ，ｐｗ１（１−Ｑｉｏｕｔ／Ｑｈ））  （式４）
（式１）と（式４）から短パルス幅ｐｗ２が各ラスタ毎に求まり、短パルス発生回路５によって短パルス信号としてヘッド駆動信号生成回路３に出力される。
【００３７】
以上のようにして求めた短パルス幅の例を図４および図５に示す。
【００３８】
図４は本実施例のインクジェット記録装置によって５枚の記録紙に連続して全ベタ（全ノズルに印字パルス信号を連続して印加）の印刷を基準温度から開始したときの、代表的なノズルの温度プロファイルとノズルへのインク流入温度とを示した図である。なお、供給されるインク温度は基準温度のものであり、１枚の記録紙への印字は例えば９６００ラスタから成る。
【００３９】
同図において、各印字区間では吐出ノズル温度は急速に昇温するのに対して、インクは熱容量が大きくて熱伝導率が低いため昇温しにくく、また低温のインクが次々にリフィルされるため、徐々に昇温していき印字区間内での温度変化は小さい。
【００４０】
この温度プロファイルが温度センサ３１，３２３１，３２の検出結果から推定されたものであるとすると、グラフから吐出ノズル温度とノズルに流入するインク温度の差分ΔＴｎｚが各ラスタ毎に求まる。求められたΔＴｎｚと（式１）と（式３）から短パルス幅ｐｗ２を各印字区間の各ラスタ毎に求めてｐｗ１，ｐｗ２ｍａｘの位置とともにグラフに表したのが図５である。
【００４１】
同図において、各印字区間での印字開始直後は短パルス幅ｐｗ２はｐｗ２ｍａｘに制限されるが、その後吐出ノズルの昇温に伴って急激に短くなっているのが分かる。
【００４２】
以上、本実施例で示したような構成にすることで、インクを吐出しない範囲の短パルス信号の印加による非吐出ノズルの過剰な昇温を抑えることができ、吐出ノズルとの温度差を最小限に抑えて、ノズル間の温度差に起因する画像の濃度ムラを抑制することができる。
【００４３】
（第２実施例）
前記第１実施例のインクジェット記録装置における短パルス幅の変化の例を表した図５に示したように、連続印刷においては印刷枚数が進むと各印字区間で短パルス幅の減少カーブはほとんど同じになってくる。ノズルへの予備加熱による温調を行って基準温度を熱平衡状態の温度まで昇温させておけば、各印字区間における短パルス幅の減少カーブはそれだけ早く一定形状に落ち着く。そこで本発明の第２実施例では、吐出インクがヒータから奪う熱を各頁毎各ラスタ毎に見積もって短パルス幅を求めるのではなく、印字区間の各ラスタ毎に予め定めておく。
【００４４】
図６は本実施例のインクジェット記録装置におけるヘッド駆動部の概略構成を表すブロック図である。本実施例では第１実施例と異なり、短パルス幅を求めるのに温度センサによる検出結果をフィードバックしない。従って、記録ヘッド１から短パルス発生回路５への温度センサにより検出された温度データの出力は行わない。それ以外の構成は第１実施例に準じるため、説明は割愛する。
【００４５】
図７は短パルス発生回路５が発生する短パルスの幅を、印字区間において示したグラフである。この短パルス幅のカーブに基いて、毎頁同じ短パルスが各非吐出ノズルのヒータに印加される。
【００４６】
なお図８に示すように、印字区間を例えば３つの小区間に分けて、各小区間の各ラスタでは同じ短パルス幅を各非吐出ノズルのヒータに印加するようにしてもよい。
【００４７】
以上、本実施例で示したような構成にすることでヘッド駆動部の構成を簡略化することができ、単純な構成で、吐出ノズルと非吐出ノズルとの温度差を最小限に抑えて、ノズル間の温度差に起因する画像の濃度ムラを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】第１実施例のインクジェット記録装置におけるヘッド駆動部の概略構成を表すブロック図
【図２】第１実施例の吐出周期に同期した各種信号のタイミングチャート
【図３】第１実施例のインクジェット記録装置におけるヘッドチップ周りの構造を表す平面図および断面図
【図４】第１実施例のインクジェット記録装置によって５枚の記録紙に連続して全ベタの印刷を基準温度から開始したときの、代表的なノズルの温度プロファイルとノズルへのインク流入温度とを示した図
【図５】第１実施例における短パルス幅を各印字区間の各ラスタ毎に求めてグラフ化した図
【図６】第２実施例のインクジェット記録装置におけるヘッド駆動部の概略構成を表すブロック図
【図７】第２実施例における短パルス幅を印字区間においてグラフ化した図
【図８】第２実施例における短パルス幅の別の例を印字区間においてグラフ化した図
【図９】従来例の吐出ノズルと非吐出ノズルの昇温カーブをグラフ化した図
【符号の説明】
【００４９】
１  記録ヘッド
２  画像生成回路
３  ヘッド駆動信号生成回路
４  印字パルス発生回路
５  短パルス発生回路
６  ヘッドコントローラ
１０  ベースプレート
１１  インク供給路
２０  ヘッドチップ
２１  インク供給口
２２，２３  ノズル列
２４，２５  ヒータ
３１，３２  温度センサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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