JP2009178996A - 画像形成装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】インクジェットプリンタに用いられているインクは温度により粘性等の特性が変化し、温度変化したインクを同一の駆動電圧で記録ヘッドを駆動すると吐出するインク量の増減するため、記録ヘッド内のインク温度の検出精度が要求されている。
【解決手段】記録ヘッドの吐出素子をインク噴射駆動電圧により駆動してインクを吐出して画像成形を行い、第１の温度検出部と第２の温度検出部とで記録ヘッドに流入するインク温度と排出されるインク温度を検出し、これらの温度から予め定めた換算式により推定された前記吐出素子により熱移動されたインク温度に基づき、前記インク噴射駆動電圧を補正し、吐出されるインク量を制御する画像形成装置である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、インクを吐出して記録媒体に画像を記録する画像形成装置及びその制御方法に関する。

一般に、圧電素子又は発熱素子等からなるアクチュエータを駆動して、インクを吐出する記録ヘッドを有する画像形成装置、所謂インクジェットプリンタが知られている。このアクチュエータの駆動には、アクチュエータ自体による発熱と、アクチュエータの駆動部（駆動用ＩＣ）による発熱の双方を伴っている。近年の画像形成装置において、記録速度の高速化やラインヘッドの採用によるノズル数の増大によって、この発熱量が増加する傾向にある。この発熱による機器の高熱化を抑制するために、例えば、特許文献１には、記録ヘッドを含むインクの供給経路に排出経路（インク帰還経路）を設けてインクを循環させて、発生した熱をインクに伝搬させる技術が開示されている。

インクのような流体は、温度が上がると粘度が低下する特性を有している。画像形成装置においても、使用するインクの種別に拘わらず、インク温度が上昇するに伴い粘度が低下する。このため、インク温度が高温化した場合には、低温時と同じ駆動電圧で記録ヘッドを駆動させると、吐出するインク量（ドロップ量）が増加する。従って、駆動する記録ヘッドが高熱化した場合には、ヘッド内のインク温度が上昇し、同じ駆動電圧で駆動させたならば、形成された画像品位（又は、印字品位）を一定に保つことができない虞がある。そこで、ヘッド駆動電圧に対して補正を施す必要がある。例えば、特許文献１では記録ヘッドを冷却するインク循環経路上において、ヘッド下流側に温度センサを設けてインク温度を検出し、その検出値を用いて記録ヘッドの駆動電圧を補正している。さらに、インク循環経路上において、ヘッド上流側に温度センサを設けて、記録ヘッドに供給されるインク温度の調整を行っている。
特開２００６−１９９０２１号公報

前述した特許文献１では、ヘッド下流のインク温度に基づき、記録ヘッドの駆動電圧を補正している。しかし、ヘッド下流のインク温度のみに基づき、ヘッド温度やノズル部インク温度を適正に推定することは必ずしも適正であるとはいえない。この理由について、図９を参照して説明する。

図９に示す温度特性グラフは、あるインク循環経路において、記録ヘッドのヘッド下流のインク温度が検出された例について、ヘッド上流のインク温度が高かった例Ａと、低かった例Ｂの違いを示している。ここで、ＴＣ：ヘッド上流のインク温度が高い場合のノズル部のインク温度、ＴＤ：ヘッド上流のインク温度が低い場合のノズル部のインク温度を示している。また、記録ヘッド１０に流入して流出するまでの区間の略中央にノズル部が存在するものとしている。

図９からも明らかなように、ヘッド下流のインク温度を検出するだけでは、インク温度が何度（流入時）から何度（流出時）分上昇したのかはわからない。ヘッド温度の高低は、ヘッド上流のインク温度とヘッド下流のインク温度の差分に反映されるので、この温度差がわからなければヘッド温度を知ることはできない。また図９に示すように、ノズル部のインク温度ＴＣ、ＴＤも、ヘッド上流のインク温度に依存する。従って、ヘッド下流のインク温度だけから、ヘッド温度やノズル部インク温度を推定していることは適切とはいえず、ヘッド下流のインク温度だけを用いて記録ヘッドの駆動電圧の補正を行っていることによる補正誤差は大きいことが想定できる。

本発明は、上記問題に着目したものであり、記録ヘッドを流れる流体の温度を検出し、ノズル部インク温度を推定することで、ヘッド駆動電圧に適切な補正を施し、連続稼働時においても形成される画像品位を一定に保つことができる画像形成装置及びその制御方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、インクを吐出する複数のノズルが形成された記録ヘッドと、前記記録ヘッドに対して流体を供給する供給流路と、前記記録ヘッドからインクを排出する排出流路と、前記供給流路側に配置される第１の温度検出部と、前記排紙流路側に配置される第２の温度検出部と、を有する画像形成装置であって、前記第１の温度検出部の出力と、前記第２の温度検出部の出力に基づいて、前記記録ヘッドのインク噴射駆動電圧設定温度を演算すると共に、演算したインク噴射駆動電圧設定温度に基づいて前記記録ヘッドのインク噴射駆動電圧を設定する制御部を有する画像形成装置を提供する。

さらに、インクを吐出する吐出素子を備えてインク噴射駆動電圧により駆動する複数の記録ヘッドと、前記記録ヘッドのそれぞれの流入口に接続された１つの流体供給流路と、前記記録ヘッドのそれぞれの排出口に接続された１つの流体排出流路と、前記インク供給流路において供給される前記流体の温度を検出する第１の温度検出部と、前記インク排出流路において排出された前記流体の温度を検出する第２の温度検出部と、を有する画像形成装置の制御方法であって、前記第１の温度検出部により検出された第１の温度と、前記第２の温度検出部により検出された第２の温度とを加算し二分した値により推定された前記吐出素子により熱移動されたインク温度に基づき、前記インク噴射駆動電圧を補正し、吐出されるインク量を制御する画像形成装置の制御方法を提供する。

本発明によれば、記録ヘッドに流れ込む流体と記録ヘッドから排出される流体のそれぞれの温度を検出し、ノズル部インク温度を推定することで、ヘッド駆動電圧に適切な補正を施し、連続稼働時においても形成される画像品位を一定に保つことができる画像形成装置を提供することができる。

以下、本発明に係る画像形成装置の好ましい実施形態について、図面を参照して詳細を説明する。
図１及び図２を参照して、第１の実施形態に係る画像形成装置の構成例について説明する。図１は、本実施形態の画像形成装置の構成を模式的に示す図である。尚、図１では、本発明の要旨となるインク循環経路を主にして構成例を示しており、それ以外の例えば、装置全体を制御する制御ユニット（ＣＰＵ等）、モニタ、指示入力部（キースイッチ等）及び記録媒体の供給排出機構等の構成部位については記載を省略しているが、通常の画像形成装置が装備している構成部位は有しているものとする。

本実施形態の画像形成装置は、所謂インクジェットプリンタと称され、インクジェット方式でインクを吐出する記録ヘッド１０と、記録媒体３１の搬送機構３０と、記録ヘッド１０を含めてインク循環経路２と、を備えている。この記録ヘッド１０には、インクの流入口となる上流インクポート１０ｂと、インクの排出口となる下流インクポート１０ｃとが設けられている。

インク循環経路２は、上流サブタンク１５から記録ヘッド１０の上流インクポート１０ｂにインクを供給するインク供給流路（上流側）と、記録ヘッド１０の下流インクポート１０ｃから未吐出のインクを下流サブタンク１１に排出するインク排出流路（下流側）と、下流サブタンク１１から上流サブタンク１５にインクを戻すインク帰還流路とにより構成される。尚、本実施形態では、インク循環経路を例として説明しているが、記録ヘッドに対してインクが内部に供給され、未吐出のインクが外部に排出されるインク供給流路であれば、必ずしもインク帰還経路を設けて循環させる必要はない。

インク循環経路２は、上流側のインク供給流路において、インク液面（又は、タンクの配置位置）がノズル１０ａよりも重力方向上方に設けられた上流サブタンク１５と、記録ヘッド１０と上流サブタンク１５を接続するチューブ１６ａと、チューブ１６ａ上で上流インクポート１０ｂに近接して設けられてインク温度を検知する上流温度センサ４１とが配置される。

またインク循環経路２は、下流側のインク排出流路において、インク液面（又は、タンクの配置位置）がノズル１０ａよりも重力方向下方に設けられた下流サブタンク１１と、下流サブタンク１１と記録ヘッド１０を接続するチューブ１６ｂと、チューブ１６ｂ上で下流インポート１０ｃに近接して設けられてインク温度を検知する下流温度センサ４２とが配置される。

上流温度センサ４１は、記録ヘッド１０に流入する時のインク温度と異ならない程度にインク温度が検知できるようにチューブ１６ａの経路上で記録ヘッド１０に近接して設けられている。同様に、下流温度センサ４２においても、記録ヘッド１０から排出する時のインク温度と異ならない程度にインク温度が検知できるようにチューブ１６ｂの経路上で記録ヘッド１０に近接して設けられている。

さらに、下流サブタンク１１と上流サブタンク１５とは、チューブ１６ｃにより接続されるインク帰還流路が設けられている。このインク帰還流路上には、インクが循環するための圧力を供給する循環ポンプ１２と、インク温度を調整する温度調整部１３と、循環するインク内の異物を除去するフィルタ１４と、が設けられている。尚、温度調整部１３におけるインク温度の調整は、後述する駆動電圧補正に用いられる上流温度センサ４１の検出値を利用してもよいし、別途、インク供給流路に温度センサを設けてもよい。

上流サブタンク１５には、後述する、上流大気開放弁１５ａと、タンク内に配置された液面センサ２０ａと、チューブ１８により連結されるインクボトル１９と、チューブ１８上に設けられた弁２０ｂと、弁２０ｂを開閉するインク供給制御部２０ｃが設けられている。さらに、インクボトル１９には大気連通管１９ａが設けられている。

また、下流サブタンク１１には、後述する、下流大気開放弁１１ａと、下流大気開放弁１１ａと、タンク内でインク帰還流路の端部に設けられた液面調整部１１ｂと、タンク内圧力を調整する圧力調整部１７とが設けられている。

さらに、上流大気開放弁１５ａ、下流大気開放弁１１ａ、圧力調整部１７及び循環ポンプ１２は、インク循環の状態に応じて制御する循環制御部２１が設けられている。

記録ヘッド１０について説明する。図２は、記録ヘッド１０の構成を模式的に示す図である。
記録ヘッド１０には、インクを吐出する吐出素子１０ｆと、吐出素子１０ｆの近傍あるいは一部に設けられたノズル１０ａと、上流インクポートから吐出素子１０ｆまでインクを供給する上流側インク流路１０ｄと、吐出素子１０ｆから下流インクポート１０ｃまでインクを導く下流側インク流路１０ｅと、吐出素子１０ｆを駆動する駆動１Ｃ１０ｇと、が設けられている。上流側インク流路１０ｄと吐出素子１０ｆは、例えば圧電素子により構成されたアクチュエータである。この吐出素子１０ｆの駆動によって、それぞれのノズル１０ａよりインクを吐出する。吐出素子１０ｆの駆動条件は、ヘッド駆動制御部５０が制御する。

下流サブタンク１１に設けられた下流大気開放弁１１ａは、圧力調整部１７により内部空間を大気開放する際に開放され、タンク内部の気圧が調整される。画像形成時には、下流大気開放弁１１ａは開いており内部の空間は大気圧となっているが、これを閉じることで下流サブタンク１１内を密閉することもできる。

下流サブタンク１１は、タンク内が大気圧に保たれている時に、下流サブタンク１１の液面位置とノズル１０ａとの水頭差によって、ノズル１０ａに適正圧力（メニスカスが形成される圧力）が掛かる位置（高さ）に配置されている。また、下流大気開放弁１１ａが下流サブタンク１１を密閉している時は、インク循環の有無に拘わらず、ノズル１０ａに適正圧力が掛かるように圧力調整部１７が下流サブタンク１１内の気圧を調整する。

液面調整部１１ｂは、下流サブタンク１１から上流サブタンク１５に汲み上げられるインク量を制御する。また下流大気開放弁１１ａには、図示しないフィルタが設けられており、下流大気開放弁１１ａを通して外部からインク循環経路２内に異物が混入することを防止する。

上流サブタンク１５内のインクの液面高さは、液面センサ２０ａにより検知され、インクボトル１９から適宜インクを補充することにより、その液面がインク吐出を行う上で適正な水頭値を維持するように、常に適正な高さに保たれている。

上流大気開放弁１５ａに設けられた図示しないフィルタは、上流大気開放弁１５ａを通してインク循環経路２内に異物が混入するのを防ぐ。チューブ１８の経路上には弁２０ｂが設けられ、上流サブタンク１５にインクボトル１９からインクを補充する時以外は、弁２０ｂは閉じている。インクボトル１９に設けられた大気連通管１９ａによってインクボトル１９内部は大気圧に保たれている。

循環制御部２１は、上流大気開放弁１５、下流大気開放弁１１、圧力調整部１７及び循環ポンプ１２の動作をインク循環の状態に応じて制御する。インク循環時には、上流大気開放弁１５ａは開放され、下流大気開放弁１１ａは閉鎖され、ノズル１０ａにおけるインク液圧が適正圧力となるように圧力調整部１７が下流サブタンク１１内の気圧を調整する。インクが循環していない場合には、上流大気開放弁１５は開放され、下流大気開放弁１１は閉鎖される。上述したように、この時にノズル１０ａにおけるインク液圧は適正圧力となっている。尚、適正圧力とは、共にノズル１０ａにメニスカスが形成維持される圧力であり、インク吐出が可能な状態である。

次に、画像形成装置１が記録媒体３１に画像を記録する手順について説明する。

本実施形態においては、図１に示すように、記録ヘッド１０は、記録媒体３１の幅に満たないノズル列長（複数のノズルが直線的な列状に配置されたときの長さで形成される画像の幅）であり、記録媒体３１の幅以上の画像が形成できるように、互いの端部がオーバーラップするように例えば、６個の記録ヘッド１０を記録媒体の幅方向に互い違いに並べた列（ヘッド列）に配置している。これらの記録ヘッド１０の列は、インクの色毎に配列されるため、４色のインクを吐出する画像形成装置では、４列のヘッド列が設けられる。

これらの記録ヘッド１０は、ヘッド駆動制御部５０の指示する駆動条件に基づいて駆動し、ノズル１０ａより約２ｍｍ離れた対向位置で搬送されている記録媒体３１にインクを吐出する。記録媒体３１は、搬送機構３０により記録ヘッド１０の列と直交する方向で搬送され、記録媒体３１の搬送速度と同期した吐出信号に基づいて、各記録ヘッド１０がインクを吐出することで、記録媒体３１に隙間無く画像が形成される。

次に、記録ヘッド１０へのインク供給及びインク排出について説明する。
インクは、図示しない制御部の指示により、上流サブタンク１５よりチューブ１６ａを通り上流インクポート１０ｂから記録ヘッド１０に供給される。ノズル１０ａで吐出されなかったインクは、下流インクポート１０ｃより排出されて、チューブ１６ｂを通り下流サブタンク１１に流れ出る。下流サブタンク１１内のインクは、循環ポンプ１２によって汲み上げられ、チューブ１６ｃを通って上流サブタンク１５へ帰還する。チューブ１６ｃ内を流れる過程で、温度調整部１３により、上流温度センサ４１又はインク供給流路に別途、設けられた他の温度センサの検出値に基づいて、インクの温度が画像形成に適した温度に調整される。

またインクが循環する過程で、フィルタ１４によってインク内の不純物が濾過される。下流サブタンク１１の液面高さは、液面調整部１１ｂによって常に適正な高さに維持されている。液面調整部１１ｂとしては、例えば液面が低下するとチューブ１６ｃへの出口流路を狭める浮き部材を用いることができる。

循環ポンプ１２が一定の圧力でインクを汲み上げていた際に、下流サブタンク１１内の液面が低下すると液面調整部１１ｂである浮き部材が降下し、チューブ１６ｃへの出口流路が狭まる。これにより下流サブタンク１１から循環ポンプ１２がインクを吸い上げる際の流路抵抗が増加する。結果、下流サブタンク１１から単位時間当たりに吸い上げられるインク量が減少し、記録ヘッド１０側から流入されるインクによって、下流サブタンク１１内のインク液面が上昇する。

このように下流サブタンク１１内の液面は、時間的に変動しても、液面調整部１１ｂの効果によって一定の高さに復帰する。結果として、ノズル１０ａからインクが吐出されると、上流サブタンク１５内のインクが減少し液面が低下する。液面センサ２０ａが上流サブタンク１５内の液面低下を検知すると、インク供給制御部２０ｃが弁２０ｂを開く。これによりインクボトル１９よりチューブ１８を通って上流サブタンク１５にインクが供給される。

記録ヘッド１０内を経由してインクが循環することにより、記録ヘッド１０の駆動によって発生した熱は、インクに移動して伝搬され、記録ヘッド１０の温度上昇が抑制される。インクの温度上昇の抑制は、インクの特性を考えなければ、前述した流入時のインク温度に加えて、記録ヘッド内を流れるインクの量と移動速度により定まる。この時、上流温度センサ４１は、各記録ヘッド１０に供給されるインクの温度を測定し、下流温度センサ４２は、各記録ヘッドから排出されたインクが合流した後のインク流路におけるインク温度を測定する。

本実施形態では、記録ヘッド１０を経由する前後のインク温度を検出している。記録ヘッド内でインクに与えられた熱は、インクの流路内の移動によりインク循環経路２全体に拡散して放熱するため、循環するインクの温度は上昇し難い。また、インクの循環により記録ヘッド１０内に詰まった気泡や異物が取り除かれる。これらの働きにより、画像形成装置１が長時間に画像形成しても、形成される画像品位（又は、印字品位）を低下させることなく、画像形成を行うことができる。

さらに本実施形態では、記録ヘッド１０を駆動する電圧が、ノズル１０ａから吐出される時の推定インク温度に応じて補正されるため、吐出されるインクの温度が記録ヘッドの連続駆動時間や印字率に依存して変化したとしても、画像品位を損なうことなく形成することができる。

次に、図１及び図３を参照して本実施形態の画像形成装置におけるヘッド駆動制御について説明する。図３は、本実施形態におけるインク温度の変化に伴うヘッド駆動電圧の補正の手順を説明するための図である。

ヘッド駆動制御部５０は、上流温度センサ４１と下流温度センサ４２で検出された検出値（インク温度情報）をそれぞれ取得し、これらの検出値を以下の換算式に当てはめ、算出結果から各ヘッドにおける平均のノズル部のインク温度を推測する。この換算式（１）としては、平均を求める式、例えば、
（ヘッドノズル部の平均インク温度）＝｛（ヘッド上流のインク温度）＋（ヘッド下流のインク温度）｝／２ …（１）
がある。この換算式（１）を用いることで、図９において説明したように、ヘッド上流のインク温度が変わった場合に、その影響を推定されたノズル部のインク温度に反映できる。推測したノズル部平均インク温度に基づき、ヘッド駆動電圧の補正（温度補正）を実施する。

ここで実施される補正は、例えば、予め定めた基準温度と、推測されたノズル部平均インク温度との温度差から一定の補正電圧を算出し、各々のヘッドの基準吐出電圧に対して、この補正電圧を加える補正処理である。ここで、基準駆動電圧とは、例えば３５℃のインク温度を循環させてヘッドを短時間駆動したときに、吐出したドロップの体積が個々のヘッドで等しい値になるように定めた各々のヘッド駆動に固有の駆動電圧である。尚、基準駆動電圧は３５℃に限定されるものではなく、装置の設計や設置箇所の外部環境または、インク特性等により適宜設定する温度である。

このように平均ノズル部インク温度を推定し、随時駆動電圧に補正を掛けることで、連続稼働によって記録ヘッド１０の温度が上昇してきた場合でも、インクが一定のドロップ体積で吐出されるため、画像品位を一定に保つことができる。

尚、本実施形態では、上流温度センサ４１と下流温度センサ４２による２つの検出値に基づき、ノズル部平均インク温度を推定し、この推定値を用いて全部の記録ヘッドのヘッド駆動電圧を一律的に補正する例であったが、これに限定されるものではない。例えば、ノズル部平均インク温度を推定し、全部の記録ヘッドに対して、前述した一律的なヘッド駆動電圧の補正を行った後、各記録ヘッドにおける印字率や連続稼働時間等の印字量に関する情報を用いて、記録ヘッドを個別に電圧補正してもよい。勿論、一律的なヘッド駆動電圧の補正と記録ヘッド個別の電圧補正を併せて同時に補正してもよい。

次に、第２の実施形態について説明する。
図４は、第２の実施形態に係る画像形成装置の構成を模式的に示す図である。図５は、記録ヘッド１０の構成を模式的に示す図である。本実施形態の構成部位において、前述した図１に示す構成部位と同等の構成部位には同じ参照符号を付して、その説明を省略する。 尚、図４及び図５は、前述した図１と同様に、本発明の要旨におけるインク循環経路を詳細に示しており、それ以外の構成部位については記載を省略しているが、通常の画像形成装置が装備している構成部位は有しているものとする
前述した第１の実施形態では、全記録ヘッドに対して、一括的にヘッド駆動電圧を補正する例であったが、本実施形態は、各記録ヘッドにおいて、ヘッド上流のインク温度とヘッド下流のインク温度を検出して、記録ヘッド毎にヘッド駆動電圧の補正を実施する構成である。

この画像形成装置においては、図５に示すように、上流温度センサ５１と下流温度センサ５２が各記録ヘッド１０の内部のインク流路に接するように、それぞれに設けられている。制御部５０は、各記録ヘッド１０に設けられた上流温度センサ５１と下流温度センサ５２の検出値を取得し、記録ヘッド毎に最適なヘッド駆動電圧の補正を実施する。

次に図４及び図５を参照して、本実施形態におけるヘッド駆動制御について説明する。図６は、本実施形態におけるインク温度の変化に伴うヘッド駆動電圧の補正の手順を説明するための図である。ここでは、第１記録ヘッド１０における駆動制御を代表例として、ヘッド駆動電圧の補正について説明する。

ヘッド駆動制御部５０は、第１記録ヘッド１０に設けられた２つの温度センサが検出した検出値（インク温度情報）を取得し、前述した換算式（１）に掛けることで、第１記録ヘッドノズル部のインク温度を推定する。

次に、ヘッド駆動制御部５０は、検出された第１記録ヘッド１０のノズル部インク温度に基づいて、第１記録ヘッド１０の駆動電圧の補正を実施する。ここで実施する電圧補正は、例えば、第１の実施形態に記載したヘッド駆動電圧補正と同等である。同様に全ての記録ヘッド１０について、制御部５０はヘッド駆動電圧の制御を行う。本実施形態のヘッド駆動制御では、それぞれ記録ヘッド１０で印字率が異なり、記録ヘッド毎のノズル部インク温度が異なる場合でも、適切な駆動電圧補正を行うことができる。これにより個々の記録ヘッド１０が記録ヘッド１０の温度変化に影響されず、一定のドロップ体積で吐出を継続することができ、印字品位の劣化が防止できる。

尚、本実施形態では、上流温度センサ５１が記録ヘッド１０の内部に設けられているが、これに限定されるものではない。例えば、記録ヘッド１０よりインク供給経路上の上流であって、上流温度センサ４１により検出されたインク温度と、記録ヘッド１０に流入するインク温度に大きな差異がでないように配置されるのであれば、上流温度センサ５１は、設置箇所が特定されない。この条件を満たすならば、例えば上流サブタンク１５の内部に設けてもかまわない。同様に、下流温度センサ５２においても、記録ヘッド１０よりインク供給経路上の下流であって、下流温度センサ５２により検出されたインク温度と、記録ヘッド１０から排出するインク温度に大きな差異がでないように配置されるのであれば、下流温度センサ５２は、設置箇所が特定されない。この条件を満たすならば、例えば下流サブタンク１１の内部に設けてもかまわない。

尚、本実施形態は、内部に温度センサを有する記録ヘッドを用いた画像形成装置に限定されるものではない。例えば、温度センサを有していない記録ヘッドを使用する場合でも、その記録ヘッドのインク供給経路上の上流側及びインク排出経路上の下流側に温度センサをそれぞれ追加するように設けることで、本実施形態を適用でき、同等の作用効果を得ることができる。

次に、第３の実施形態について説明する。

本実施形態に係る画像形成装置の構成は、前述した第１の実施形態及び第２の実施形態の装置構成に対して適用することができる。本実施形態の構成部位において、前述した図１に示す構成部位と同等の構成部位には同じ参照符号を付して、その説明を省略する。 尚、本実施形態においても、第１、第２の実施形態と同様に、通常の画像形成装置が装備している構成部位は有しているものとする
本実施形態は、インク循環経路において、記録ヘッド１０の上流及び下流にて検出されたインク温度からノズル部における平均インク温度を算出する換算式の思想が、前述した第１、第２の実施形態と異なっている。

以下の換算式（２）において、

ここで、Ｔｎ：ノズル部におけるインク温度、ｗ２α２：吐出素子からインクヘ熱が移動する効率を示す定数であり、ヘッドの構造に特有のものである、Ｃ：インクの比熱定数、Ｕｃ：ノズル（吐出素子）近傍におけるインク流速とする。

この換算式（２）は記録ヘッド１０の上流及び下流のインク温度の平均値に、上流と下流のインク温度から算出した補正値を加えた値をノズル部インク温度としている。

図７は、記録ヘッド１０に流入及び排出された際のインクの温度上昇を表した模式図である。記録ヘッド１０のノズルの温度が一定である場合、ノズルに触れているインクに単位時間に流れ込む熱量は、インクとノズルの温度差に比例する。つまり、一定に温度上昇する直線的な温度上昇線（ｔｂ）に対して、実際の温度上昇として示すように、インク温度が高くなるにつれて、単位時間内にインクに流れ込む熱量は減少し、インクの温度上昇速度は低下する。よって、ヘッド内を流れるインク温度は、図７に示すように立ち上がりは早いが次第に飽和していく温度上昇曲線（ｔａ）となる。この場合のノズル部インク温度をＴＡ℃とし、一定速度で温度が上昇すると考えた場合のノズル部推定インク温度をＴＢ℃とすると、図７に示したような温度差がある。ノズル部インク温度ＴＡ℃は、ヘッド上流とヘッド下流の平均インク温度ＴＢ℃よりも高くなる。

図７に示すように、この換算式（２）を用いた場合には、前述した第１、第２の実施形態における一定速度でインク温度が上昇することを前提とした平均値を求める換算式（図９参照）による推定ノズル部温度よりも、実際のインクの温度上昇を考慮して求めた値であるため、より真の値に近い推測値であることが直感的に理解できる。

次に、換算式（２）を用いてノズル部のインク温度が推定される理由について説明する。
図８は、インク循環経路２における記録ヘッド１０に流入するインクの流れ（黒矢印）とこのインクに移動する熱の流れ込み（白抜き矢印）を表した模式図である。

ここで、Ｔ１：上流温度センサ４１によって検出されるインク供給流路から記録ヘッド１０内に流れ込むインクの温度［℃］、Ｔ２：記録ヘッド１０内流路で吐出素子の入口側との境界のインクの温度［℃］、Ｔ３：記録ヘッド１０内流路で吐出素子の出口側との境界のインクの温度［℃］、Ｔ４：下流温度センサ４２によって検出される記録ヘッド１０内からインク排出流路から排出されたインクの温度［℃］、Ｔｈ：記録ヘッド内の温度、Ｗ１〜Ｗ４：インクに移動する熱量［Ｊ］、Ｔｐ：吐出素子の温度［℃］とし、また、インク循環経路におけるインクの流速をＵａ：［mm/s］とする。

まず、記録ヘッド１０内のインク流れを、上流側インク経路１０ｄ内の流れ（Ｓ１）と、吐出素子１０ｆの近傍であってノズル１０ａ上流側の流れ（Ｓ２）と、吐出素子１０ｆの近傍であってノズル１０ａ下流側の流れ（Ｓ３）と、下流側インク流路１０ｅ内の流れ（Ｓ４）と、の４箇所に分けて考える。

前述した様に、上流温度センサ４１と下流温度センサ４２のそれぞれが検出するインク温度は、記録ヘッド１０に流入又は、排出したインク温度と見なす。従って、上流温度センサ４１と下流温度センサ４２の間でインクに熱が移動（主として、加熱）するのは、記録ヘッド内部においてのみとなる。そこで、図８においては、記録ヘッド内部のみで考えている。尚、上流側インク流路１０ｄ内と下流側インク流路１０ｅ内は、同じインク流速Ｕａ［ｍｍ／ｓ］とする。また、吐出素子内でのインク流速をＵｃ［ｍｍ／ｓ］とおく。

ヘッド内部の温度をＴｈ［℃］とし、吐出素子の温度をＴｐ［℃］とする。

Ｔｈ、Ｔｐは、記録ヘッド１０の印字率、連続稼働印字時間によって変動する変数である。ここで、求めるべきノズル部インク温度をＴｎ［℃］とする。２つの触れ合う物質の間での熱の移動量は、両者の温度差と、両者の間の熱交換効率と、熱交換を行った時間とに比例する。また熱量Ｗ［Ｊ］を受け取った物質の温度Ｔ［℃］は、その物質の初期温度Ｔ０［℃］を用いて、Ｔ＝Ｔ０＋Ｗ／Ｃと記述することができる。ここで、Ｃはその物質の比熱である。

図８において、４つに分けた各部位に関して、熱の移動量と各部位におけるインク温度について考えると以下が言える。上流側インク流路における熱の移動と、温度Ｔ２に関しては式（３−１），（３−２）として、

また、近傍ノズル上流における熱の移動と温度Ｔｎに関して、式（４−１），（４−２）として、

吐出素子近傍ノズル下流における熱の移動と温度Ｔ３に関して、式（５−１），（５−２）として、

さらに、下流側インク流路における熱の移動と、温度Ｔ４に関して、式（６−１），（６−２）として、

ここで、Ｃはインクの比熱をあらわす定数である。またα１、α２はインク流速と時間の換算を行う比例定数であり、共に＞０である。ｗ１，ｗ２は、インクと記録ヘッド内部あるいはインクと吐出素子との熱交換効率をあらわすヘッド固有の比例定数であり、共に＞０である。以下では記述の簡略化のために、次式（７）に示すように、Ａ、Ｂを定める。

次に、式（３−１），（３−２）より、次の式（３−３）が導かれる。

次に、式（４−１），（４−２）より、次の式（４−３）が導かれる。

また、式（５−１），（５−２）より、次の式（５−３）が導かれる。

さらに、式（６−１），（６−２）より、次の式（６−３）が導かれる。

ここで用いたＡは、上流側のインク供給流路及び、下流側のインク排出流路におけるインクと記録ヘッド１０内部との熱交換効率を表す数である。また、Ｂは、吐出素子とインクとの熱交換効率を表す数であり、共に０以上であり１以下である。この理由については、インク供給流路におけるインク温度の上昇を示す式（３−４）を例にとって説明する。
インク供給流路にインクが流れた時、終状態でのインク温度Ｔ２は、必ずＴ２＜Ｔｈである。よって式（３−４）より次式（８）が導き出される。

また、記録ヘッド１０内部でのインク加熱を考えているのでＴ２＞Ｔｌであり、上式よりＡ＜１とわかる。同様に吐出素子とインクの熱交換効率をあらわす変数ＢもＢ〈１である。次に、上で求めた式（３−３），（４−３），（５−３），（６−３）から未知の変数を消去する。式（４−３），（５−３）より、次式（９）が導かれる。

また式（３−３），（６−３）より、次式（１０）が導かれる。

そして、記録ヘッド１０内で発生するインクヘの熱の移動は、主に吐出素子で起こる。これは吐出素子がインクと直接触れ合っているためと、吐出素子における発熱が大きいことに起因する。これは吐出素子が圧電素子である場合でも、ヒーターである場合でも変わらない。そこで、式（１０）において、記録ヘッド１０内部の温度の影響は、小さいとし、Ｔｈの項を無視する。

また、上述したように、吐出素子はインクと直接触れ合っており、吐出素子とインクとの熱交換効率Ｂは、記録ヘッド１０内部とインクの間での熱交換効率Ａよりも大きいため、Ａ／Ｂ≒０とおくと、次の式（１１）が得られる。

インクは、記録ヘッドを通過することで過熱されるので、Ｔ４＞Ｔ１である。よって上式（１１）より、ノズル部のインク温度は、記録ヘッド１０における上流側のインク温度Ｔ１と下流側のインク温度Ｔ４の平均の項に、記録ヘッド１０における上流側と下流の温度差（Ｔ４−Ｔ１）から導かれる数値の項を足した値である。

また、前述したＢ＜１であるため、ノズル部のインク温度Ｔｎは、インク温度Ｔ４を超えないこともわかる。Ｕｃは吐出素子近傍におけるインクの流速であり、上流側インク流路におけるインク流速Ｕａに定数を掛けた値である。インク流速Ｕａはインク循環経路におけるインク流量によって決まり、この流量はインク循環経路全体でインクが循環する際の圧力損失に反比例する。この圧力損失は、インク循環経路内のインク粘度に比例し、インク粘度はインク温度の関数として記述できる。

従って、インク流速Ｕａは、インク循環経路におけるインク温度で記述することができる。インク循環経路におけるインク温度は、例えば上流温度センサ４１で知ることができるので、インク流速Ｕｃは、Ｔ１の関数として記述できる。また、ｗ２α２の値はヘッドの構造に特有の定数であり、予め測定することが可能である。以上より、式（１１）を用いるとヘッド上流のインク温度Ｔ１と、ヘッド下流のインク温度Ｔ４で、ノズル部インク温度が記述できる。

以上説明したように、第３の実施形態によれば、記録ヘッドに対して、供給されるインク温度と排出される温度から高い精度でノズル部のインク温度を推定することができる。構成部位の加熱により起因する温度変化によるインク特性（粘度）の変化を補うために、この推定されたノズル部のインク温度に基づき、ヘッド駆動電圧を高精度に補正することができ、形成される画像品位の劣化を防止することができる。
従って、記録ヘッドの稼働時間（インク吐出時間）が長時間に及び、インクに対して温度変化を発生させても通常時と同等の画像品位を保つことができる。

さらに、本実施形態では、上流温度センサ４１と下流温度センサ４２の間に１個の記録ヘッド１０が設けられている例について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、第１の実施形態において、本実施形態による推定の計算を適用することにより、複数の記録ヘッドにおける平均のノズル部のインク温度を精度よく求めることができる。

また、第１乃至第３の実施形態において、画像形成装置として、複数のライン記録ヘッドを有するライン記録方式に限定されるものではなく、例えば単一の記録ヘッドを記録媒体の幅方向に走査移動しながら、画像を形成するシリアル記録方式であってもよい。勿論、前述した各実施形態において、構成部位を適宜組み合わせて実施してもよいし、上流温度センサ４１と下流温度センサ４２以外で不要と思われる構成部位を削除しても実施することも可能である。

また、第１乃至第３の実施形態における画像形成装置では、流体は、インク循環経路（インク供給流路、インク排出流路）を流れるインクとして説明したが、本発明は流体としてインクに限定されるものではない。例えば、発熱した記録ヘッドを冷却するための冷却液を流すための冷却液経路（この冷却液経路は記録ヘッドに接続される冷却液供給流路と冷却液排出経路とから構成される）を、記録ヘッドに接続して構成される画像形成装置の場合、冷却液供給流路及び冷却液排出流路を流れる冷却液を流体として用いても良い。即ち、記録ヘッドに入り込む冷却液の温度及び記録ヘッドから排出される冷却液の温度を検出することで、上記各実施形態と同様に、適切にヘッド駆動電圧を設定することが可能となる。

図１は、第１の実施形態に係る画像形成装置の構成を模式的に示す図である。 図２は、第１の実施形態の記録ヘッドの構成を模式的に示す図である。 図３は、第１の実施形態におけるインク温度の変化に伴うヘッド駆動電圧の補正の手順を説明するための図である。 図４は、第２の実施形態に係る画像形成装置の構成を模式的に示す図である。 図５は、第２の実施形態の記録ヘッドの構成を模式的に示す図である。 図６は、第２の実施形態におけるインク温度の変化に伴うヘッド駆動電圧の補正の手順を説明するための図である。 図７は、第３の実施形態において、記録ヘッドに流入及び排出された際のインクの温度上昇を表した模式図である 図８は、第３の実施形態において、記録ヘッドに流入・排出するインクの流れと熱の移動を説明するための模式図である。 図９は、従来の画像形成装置において、記録ヘッドに流入及び排出された際のインクの温度上昇を表した模式図である

符号の説明

１…画像形成装置、２…インク循環経路、１０…記録ヘッド、１０ａ…ノズル、１０ｂ…上流インクポート、１０ｃ…下流インクポート、１０ｄ…上流側インク流路、１０ｅ…下流側インク流路、１０ｆ…吐出素子、１０ｇ…駆動制御部、１１…下流サブタンク、１１ａ…下流大気開放弁、１２…循環ポンプ、１３…温度調整部、１４…フィルタ、１５…上流サブタンク、１５ａ…上流大気開放弁、１６ａ,１６ｂ,１６ｃ，１８…チューブ、１７…圧力調整部、１９…インクボトル、１９ａ…大気連通管、２０ａ…液面センサ、２０ｂ…弁、２０ｃ…インク供給制御部、２１…循環制御部、３０…搬送機構、３１…記録媒体、４１，５１…上流温度センサ、４２，５２…下流温度センサ、５０…ヘッド駆動制御部。

Claims (11)

1. インクを吐出する複数のノズルが形成された記録ヘッドと
   前記記録ヘッドに対して流体を供給する供給流路と、
   前記記録ヘッドから前記流体を排出する排出流路と、
   前記供給流路側に配置される第１の温度検出部と、
   前記排出流路側に配置される第２の温度検出部と、
   を有する画像形成装置であって
   前記第１の温度検出部の出力と、前記第２の温度検出部の出力に基づいて、前記記録ヘッドインク噴射駆動電圧設定温度を演算すると共に、演算したインク噴射駆動電圧設定温度に基づいて前記記録ヘッドのインク噴射駆動電圧を設定する制御部を有することを特徴とする画像形成装置。
2. 前記記録ヘッドは、
   複数のインクジェットヘッドを有し、
   前記供給流路は、
   共通供給部分と、
   前記複数のインクジェットヘッドそれぞれに流体を供給するための、前記共通供給部分から分岐した分岐供給部分とを有し、
   前記排出流路は、
   共通排出部分と、
   前記複数のインクジェットヘッドそれぞれから流体を排出するための、前記共通排出部分から分岐した分岐排出部分とを有し、
   前記第１の温度検出部は、前記共通供給部分に配置し、
   前記第２の温度検出部は、前記共通排出部分に配置することを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
3. 前記記録ヘッドは、
   複数のインクジェットヘッドを有し、前記複数のインクジェットヘッドに対してその内部に前記供給流路及び前記排出流路がそれぞれ形成され、
   前記第１の温度検出部は複数個有し、前記複数のインクジェットヘッドにおける供給流路毎にそれぞれ配置され、
   前記第２の温度検出部は複数個有し、前記複数のインクジェットヘッドにおける排出流路毎にそれぞれ配置されることを特徴とする請求項１に記載の画像形成装置。
4. 前記制御部は、前記第１の温度検出部の出力と前記第２の温度検出部の出力との平均温度値を演算し、その演算結果をインク噴射駆動電圧設定温度とすることを特徴とする請求項２に記載の画像形成装置。
5. 前記制御部は、インクジェットヘッド毎に、当該インクジェットヘッドに配置された前記第１の温度検出部の出力と前記第２の温度検出部の出力とから平均温度値を演算し、その演算結果を当該インクジェットヘッドのインク噴射駆動電圧設定温度とすることを特徴とする請求項３に記載の画像形成装置。
6. 前記供給流路と前記排出流路を繋ぎ、前記排出流路に排出された前記流体を前記供給流路に帰還させる帰還流路を具備して循環経路を構成し、さらに、
   前記帰還流路には、前記流体を前記供給流路に送るポンプと、
   前記流体の温度を調整するための温度調整部と、が設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の画像形成装置。
7. 前記流体は、前記ノズルから吐出されるインクであることを特徴とする請求項１乃至請求項６に記載の画像形成装置。
8. 前記流体は、前記記録ヘッド冷却用の冷却液であることを特徴とする請求項１記載の画像形成装置。
9. インクを吐出する吐出素子を備えてインク噴射駆動電圧により駆動する複数の記録ヘッドと、前記記録ヘッドのそれぞれの流入口に接続された１つの流体供給流路と、前記記録ヘッドのそれぞれの排出口に接続された１つの流体排出流路と、前記流体供給流路において供給される前記流体の温度を検出する第１の温度検出部と、前記流体排出流路において排出された前記流体の温度を検出する第２の温度検出部と、を有する画像形成装置の制御方法であって、
   前記第１の温度検出部により検出された第１の温度と、前記第２の温度検出部により検出された第２の温度とを加算し二分した値により推定された前記吐出素子により熱移動されたインク温度に基づき、前記インク噴射駆動電圧を補正し、吐出されるインク量を制御することを特徴とする画像形成装置の制御方法。
10. インクを吐出する吐出素子を備えてインク噴射駆動電圧により駆動する複数の記録ヘッドと、前記各記録ヘッドの流入口に接続された流体供給流路と、前記各記録ヘッドの排出口に接続された流体排出流路と、前記記録ヘッド毎に供給される前記流体の温度を検出する複数の第１の温度検出部と、前記記録ヘッド毎に排出された前記流体の温度を検出する複数の第２の温度検出部と、を有する画像形成装置の制御方法であって、
    前記記録ヘッド毎に、前記第１の温度検出部により検出された第１の温度と前記第２の温度検出部により検出された第２の温度とを加算し二分した値により推定された前記吐出素子により熱移動されたインク温度に基づき、前記インク噴射駆動電圧を補正し、吐出されるインク量を制御することを特徴とする画像形成装置の制御方法。
11. 前記第１の温度と前記第２の温度から算出された前記値に補正値を加えて、推定された前記吐出素子により熱移動されたインク温度に基づき、前記インク噴射駆動電圧を補正し、吐出されるインク量を制御し、
    前記値と前記補正値による前記インク温度が
    

    

    ここで、Ｕｃ：インク流速、Ｔ１：前記第１の温度、Ｔ４：前記第２の温度、ｗ２α２：記録ヘッドにおける定数であることを特徴とする請求項９又は請求項１０に記載の画像形成装置の制御方法。

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