JP2005047170A

JP2005047170A - 建築板印刷装置

Info

Publication number: JP2005047170A
Application number: JP2003282274A
Authority: JP
Inventors: Tomoyoshi Yabe; 友祥矢部
Original assignee: Nichiha Corp
Current assignee: Nichiha Corp
Priority date: 2003-07-30
Filing date: 2003-07-30
Publication date: 2005-02-24

Abstract

【課題】実際にノズル詰まりが発生してしまって印刷に不具合が発生する前にノズル詰まりの傾向にあることを検出することができる建築板印刷装置を提供すること。
【解決手段】何からの原因によって、ノズル近傍のインク状態が変化して粘性が大きくなって、ノズル開口部が次第に狭まっていくと、メニスカス自体の振動動作面積も狭まってしまい、圧電素子５０は十分に振動ができなくなってしまう。この電気機械変換効率の低下によって結果として圧電素子５０の静電容量が変化することを検出して（静電容量測定回路８０）、ノズル詰まりの発生傾向を検出する。
【選択図】図２

Description

本発明は、インクジェット印刷技術を利用した建築板印刷装置に係り、詳しくはノズルのインク詰まりを未然に検出できる建築板印刷装置に関する。

インクジェット工業印刷を行う上で考えなければならないのは、いかにノズルにおけるインク詰まりを発生させずに、１生産ロット内での連続運転をスムースに遂行させることができるかである。連続生産であるために、一旦ノズル詰まりが発生した場合には、それを早期に発見してライン停止をしないと、多数の不良板を発生させてしまう。

しかしながら、連続生産途中に、それなりの時間を要するクリーニング作業を頻繁に割り込ませることは、生産性を低下させてしまうため、好ましい対策ではない。

生産途中でノズル詰まりが発生したか否かを検出する方法としては、インクの吐出状態（すなわち、インク滴がノズルから吐出された後の状態）を検査する方法が提案されている。例えば、光をインクが遮ることによってインクの吐出有無を判定するもの（特許文献１参照）、帯状の透明テープ上に吐出されたインクの状態を読み取るもの（特許文献２参照）、ノズルから吐出されたインクが通過する領域のビットマップ画像と背景のみのビットマップ画像とを比較するもの（特許文献３参照）などが知られている。

特開２００３−１５４６７２号公報特開２００３−１２７４２０号公報特開２００３−１２７３４０号公報

しかし、上記いずれの方法も「ノズル詰まりが発生したことを検出する」ものであって、不具合はすでに発生してしまっており、不具合の未然発生防止対策にならない。

本発明は、上記問題点に鑑み、実際にノズル詰まりが発生してしまって印刷に不具合が発生する前にノズル詰まりの傾向にあることを検出することができる建築板印刷装置を提供することを目的とする。

本発明の建築板印刷装置は、建築板の搬送方向と直交する方向に建築板の印刷領域にわたってインクジェットのノズルを配列して建築板に印刷するものであって、インクを吐出させるための圧電素子の静電容量を測定する静電容量測定手段を備える。

また、前記静電容量測定手段は、静電容量の変化が所定の値よりも大きいか否かを判断することで、各圧電素子の静電容量のもともとのバラツキによる誤差をなくすことができる。

また、前記静電容量測定手段は、全体の圧電素子の静電容量の変化に対する該当圧電素子の静電容量の変化の偏差を計算することで、工場内の温度などの環境による静電容量の変化に基づく誤差をなくすことができる。

また、前記静電容量測定手段は、インク吐出のための圧電素子の充放電における放電電流を積分することで静電容量を測定することで、特別に静電容量を測定する時間を設ける必要がない。

また、前記静電容量測定手段によってノズル詰まりが発生する傾向にあると判断された圧電素子に対してインクを吐出しない範囲においてインクの増粘傾向を解消する圧力波を発生させるノズル回復信号を出力するライン印刷制御手段を更に備えることで、未然にノズル詰まりの発生を防止することができる。

本発明によれば、実際にノズル詰まりが発生してしまって印刷に不具合が発生する前にノズル詰まりの傾向にあることを検出することができる。

以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態による建築板印刷装置に用いる圧電素子の等価回路を示す図である。圧電素子は、機械的振動子部分２００と誘電体部分３００とから構成されている。機械的振動子部分２００は、コンデンサＣ1、インダクタンスＬ1、抵抗ｒ1からなり、誘電体部分３００は、コンデンサＣdからなる。機械的振動子部分２００と誘電体部分３００とは並列に接続され、駆動電圧が印加される。この駆動電圧により、機械的振動子部分２００に電流ｉ1が、及び誘電体部分３００に電流ｉ2がそれぞれ流れる。圧電素子は、初めに電圧を印加（駆動）することで分極が進む。分極は、駆動初期に急激に進み、以降ゆるやかに進む。分極の進む速さは内部の原子の活性に依存し、温度により大きく異なり、温度が高いと分極の進み方が速くなる。この分極状態は駆動電圧を除いた後（すなわち、回路を切断した後）も持続され、コンデンサとして電荷を蓄積する。図１において、駆動電圧Ｖを印加すると、圧電素子は全体的に容量性であるので、電界印加時及び電界除去時に、印加電圧波形の時間微分に比例した充放電電流が流れる。その場合、機械的振動子部分２００に流れ込む電荷量Ｑ1に比例して、圧電素子は変位量ΔＸだけ変位し（歪み）、アクチュエータとして機能する。

ΔＸ∝Ｑ1(ｔ)＝∫₀ ^tｉ1ｄｔ・・・（１）
また、誘電体部分３００には、電荷量Ｑ2(ｔ)
Ｑ2(ｔ)＝∫₀ ^tｉ2ｄｔ・・・（２）
が蓄積される。

この圧電素子の変位動作に伴い、インクが充填された圧力発生室内に圧力波（音響波−縦波）が発生し、これがノズル先端のインク液膜（メニスカス）に伝達されて、その波動エネルギーが与えられ、メニスカスは激しく振動する。そして、メニスカスからインク滴が分離されて飛跳（吐出）する。その後、メニスカスは減衰振動を行う。

すなわち、圧電素子の逆圧電効果によって電気エネルギーから変換された機械エネルギーは、圧力波の波動エネルギーに変換され、それが集中してメニスカスに伝達され、その振動エネルギーに変換され、インク滴が吐出される。

ところが、何からの原因によって、ノズル近傍のインク状態が変化して粘性が大きくなって、ノズル開口部が次第に狭まっていくと、メニスカス自体の振動動作面積も狭まってしまい、十分に振動ができなくなってしまう。すなわち、圧電素子の変位動作によって生成された圧力波がもたらす波動エネルギーは、メニスカスに対して十分に伝達されなくなってしまい、伝達されない残余波動エネルギーは、逆に、ノズル部から圧電素子の振動板へ向かう逆方向の新たな２次圧力波を発生させることとなり、かかる２次圧力波は、１次圧力波と相互干渉し、だんだんと圧電素子自体の変位量は小さくなっていく。

すなわち、与えられた電気エネルギーから機械エネルギーへの変換効率は次第に下がっていく。そのロス分は、機械的振動子部分２００の抵抗ｒ1によって、ほとんど大半は熱となって放熱されていく。この発熱現象は、圧電素子の分極状態を変化させ、結果として圧電素子の静電容量を変化させる。また、伝熱されていくため、隣接するノズルへの悪影響を及ぼす原因となる。そのため、長時間連続運転する工業印刷にあっては、記録ヘッド部の適切な冷却を考慮する必要がある。

上述のとおり、圧電素子の静電容量の変動を検出することで、その電気的異常状態（連続使用、長時間運転による劣化や亀裂の発生など）をも含んで、ノズル詰まりの未然検出を行うことが可能となる。

図２は、本実施の形態の建築板印刷装置の制御回路を示すブロック図である。本実施の形態の建築板印刷装置の制御回路は、主にＯＮ駆動電圧発生回路１０、ＯＦＦ駆動電圧発生回路２０、制御パルス発生回路３０、第１マルチプレクサ４０、圧電素子（ＰＺＴ：チタン酸ジルコン酸鉛）５０ａ、５０ｂ、…、抵抗６０ａ、６０ｂ、…、第２マルチプレクサ７０、静電容量測定回路８０、ノズル回復制御回路９０、ライン印刷制御回路１００、及び印刷制御パターンメモリ１１０から成る。

ＯＮ駆動電圧発生回路１０は、インクジェットノズルからインクを吐出するＯＮ駆動電圧を発生する回路であり、詳しくは図３で説明する。

ＯＦＦ駆動電圧発生回路２０は、インクジェットノズルからインクを吐出しないＯＦＦ駆動電圧を発生する回路である。このＯＦＦ駆動電圧はノズル先端のメニスカスを乾燥させない程度にメニスカスを振動させるがインクを吐出しない電圧である。このＯＦＦ駆動電圧発生回路２０の基本的な回路構成はＯＮ駆動電圧発生回路１０と同じであるが、回路素子のパラメータが異なり大きさ及び時定数が異なる電圧を発生する。

制御パルス発生回路３０は、ＯＮ駆動電圧発生回路１０、ＯＦＦ駆動電圧発生回路２０、静電容量測定回路８０、及び、ライン印刷制御回路１００に対して制御パルスを供給して、各ノズルからのインクの吐出と静電容量測定とを同期させて、ＰＺＴ駆動電圧の放電時に静電容量を測定するように全体を制御する。

第１マルチプレクサ４０は、ライン印刷制御回路１００から供給されるＯＮ信号又はＯＦＦ信号に応じて各圧電素子５０ａ、５０ｂ、…にＯＮ駆動電圧又はＯＦＦ駆動電圧を選択的に供給する。

圧電素子５０ａ、５０ｂ、…は、すべて等しい特性を持ち図１に示される等価回路で表され、駆動電圧に応じてインクが充填された圧力発生室内に圧力波を発生させる電気機械変換素子である。

抵抗６０ａ、６０ｂ、…は、圧電素子５０ａ、５０ｂ、…に流れる（放電）電流に対応した電圧を発生させる電流電圧変換素子としての抵抗であり、その各抵抗値はすべて等しく圧電素子５０ａ、５０ｂ、…の動作に影響しない程度に小さい。

第２マルチプレクサ７０は、抵抗６０ａ、６０ｂ、…を選択的に静電容量測定回路８０に接続する。

静電容量測定回路８０は、各圧電素子５０ａ、５０ｂ、…に流れる放電電流に比例する各抵抗６０ａ、６０ｂ、…の間の電圧を積分して、各圧電素子５０ａ、５０ｂの静電容量を順次測定する。詳しくは図４で説明する。

ノズル回復制御回路９０は、静電容量測定回路８０で測定された各圧電素子５０ａ、５０ｂ、…の静電容量から所定のノズルがノズル詰まりの傾向にあることを検出すると、そのノズル詰まりの傾向を解消するためのＰＺＴ駆動電圧を圧電素子５０ａ、５０ｂ、…に印加させる制御パルスをライン印刷制御回路１００に出力する。

ライン印刷制御回路１００は、印刷制御パターンメモリ１１０から読み出される印刷パターンに応じて各ノズルのインクの吐出をＯＮ、ＯＦＦするＯＮ信号及びＯＦＦ信号を第１マルチプレクサ４０に供給する。

印刷制御パターンメモリ１１０は、建築板の被印刷面に意匠柄パターンの印刷を施すため、建築板搬送方向に直交する印刷横ライン上にある各インクジェットノズルのＯＮ、ＯＦＦパターンを記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）などのメモリである。なお通常は、ノズルは完全に一直線上にあるわけではなく、千鳥状に互い違いに配設されている。

図３は、本実施の形態のＯＮ駆動電圧発生回路の具体例を示す図である。入力端子ＩＮ１に入力する充電パルス(1)（図５参照）はレベルシフト用のトランジスタＱ１を介してトランジスタＱ２、Ｑ３と抵抗Ｒ１よりなる定電流充電回路を動作させ、コンデンサＣを一定の電流値で充電する。それにより、コンデンサＣの端子電圧は所定電圧まで上昇し、ほぼ同じ電圧がトランジスタＱ１１、Ｑ１２、Ｑ１３、Ｑ１４よりなる電流増幅回路を介して出力端子ＯＵＴに出力する。

同様に、入力端子ＩＮ３に入力する回復充電パルス(1)はレベルシフト用のトランジスタＱ４を介してトランジスタＱ５、Ｑ６と抵抗Ｒ２よりなる定電流充電回路を動作させ、コンデンサＣを一定の電流値で充電する。それにより、コンデンサＣの端子電圧は所定電圧まで上昇し、ほぼ同じ電圧がトランジスタＱ１１、Ｑ１２、Ｑ１３、Ｑ１４よりなる電流増幅回路を介して出力端子ＯＵＴに出力する。

また、入力端子ＩＮ２に入力する放電パルス(1)は、トランジスタＱ７、Ｑ８と抵抗Ｒ３よりなる定電流放電回路を作動させ、コンデンサＣを一定電流で放電する。それにより、コンデンサＣの端子電圧は所定電圧まで下降し、ほぼ同電圧がトランジスタＱ１１、Ｑ１２、Ｑ１３、Ｑ１４よりなる電流増幅回路を介して出力端子ＯＵＴに出力する。

これら充電パルス(1)及び放電パルス(1)によってインク滴吐出のためのＰＺＴ駆動電圧を出力端子ＯＵＴに出力する。

同様に、入力端子ＩＮ４に入力する回復放電パルス(1)は、トランジスタＱ９、Ｑ１０と抵抗Ｒ４よりなる定電流放電回路を作動させ、コンデンサＣを一定電流で放電する。それにより、コンデンサＣの端子電圧は所定電圧まで下降し、ほぼ同電圧がトランジスタＱ１１、Ｑ１２、Ｑ１３、Ｑ１４よりなる電流増幅回路を介して出力端子ＯＵＴに出力する。

これら回復充電パルス(1)及び回復放電パルス(1)によってインク滴吐出のタイミングにおいてノズル詰まり解消のためのＰＺＴ駆動電圧を１駆動周期Ｔの後半時期を利用して（図５参照）出力端子ＯＵＴに出力して圧力発生室内に小刻みに（インク吐出のためのＰＺＴ駆動電圧と周波数が異なる）圧力波を発生させて、インクの増粘傾向を解消する。

図４は、本実施の形態の静電容量測定回路の具体的な構成を示すブロック図である。本実施の形態の静電容量測定回路８０は、主に静電容量測定制御回路８１、放電電圧測定回路８２、積分回路８３、静電容量計算手段８４、及びＡ／Ｄ変換器８５から成る。

静電容量測定制御回路８１は、第２マルチプレクサ７０の動作を制御して、抵抗６０ａ、６０ｂ、…を選択的に放電電圧測定回路８２に接続する。また、放電電圧測定回路８２の動作を制御して、順次電圧を測定する。

放電電圧測定回路８２は、各圧電素子５０ａ、５０ｂ、…に流れる放電電流に比例する各抵抗６０ａ、６０ｂ、…の間の電圧を静電容量測定制御回路８１によって制御されるタイミングで測定する。

積分回路８３は、放電電圧測定回路８２によって測定された電圧（放電電流に相当する）を放電期間にわたって積分する。この積分によって各圧電素子５０ａ、５０ｂ、…に充電された電荷Ｑ＝Ｑ1(ｔ)＋Ｑ2(ｔ)が求まる。

静電容量計算手段８４は、積分回路８３によって求まった各圧電素子５０ａ、５０ｂ、…の充電電荷Ｑに基づいて、充電時の駆動電圧Ｖは既知であるので、Ｑ＝ＣＶの関係から静電容量Ｃを求める。また、静電容量計算手段８４は、この静電容量の変化が所定の値よりも大きいか否かを判断するものとしても良い。この場合には、各圧電素子５０ａ、５０ｂ、…の静電容量のもともとのバラツキによる誤差をなくすことができる。さらに、静電容量計算手段８４は、全体の圧電素子の静電容量の変化に対する該当圧電素子の静電容量の変化の偏差を計算するものとしても良い。この場合には、工場内の温度などの環境による静電容量の変化に基づく誤差をなくすことができる。

Ａ／Ｄ変換器８５は、静電容量計算手段８４によって求められたアナログの静電容量値をディジタルの静電容量値に変換してノズル回復制御回路９０に出力する。

図５は、本実施の形態に用いる各信号を示す波形図である。充電パルス(1)及び放電パルス(1)がＯＮ駆動電圧発生回路１０に供給されてインク滴吐出のためのＰＺＴ駆動電圧を発生するのと同様に、充電パルス(2)及び放電パルス(2)がＯＦＦ駆動電圧発生回路２０に供給されてインク滴非吐出のためのＰＺＴ駆動電圧を発生する。回復充電パルス(1)及び回復放電パルス(1)がＯＮ駆動電圧発生回路１０に供給されてインク滴吐出のタイミングにおいてノズル詰まり解消のためのＰＺＴ駆動電圧を発生するのと同様に、回復充電パルス(2)及び回復放電パルス(2)がＯＦＦ駆動電圧発生回路２０に供給されてインク滴非吐出のタイミングにおいてノズル詰まり解消のためのＰＺＴ駆動電圧を発生する。

なお、ノズル詰まりは、そう頻繁に発生するものではないから、静電容量測定は、所定のサンプリング周期で第２マルチプレクサ７０により各放電電流測定の切換えを行っても良い。この場合サンプリング周期は、１回の測定所要時間と、建築板の走行速度を考慮して、例えば、１枚の建築板の印刷開始横ライン（建築板の搬送方向に直交する方向）から、印刷終了横ラインに至るまでに、全ノズルの圧電素子５０ａ、５０ｂ、…の測定回数が同回数となるように、また隣接チャネルの干渉を避けるため、隣接チャネルが連続測定されないような所定のスイッチ切換えパターン（２つ置きか３つ置きなど）によって制御する。そして、同一ノズルについての複数の測定データを蓄積して、各データ差分を求めて、静電容量の変化を比較判定する。この判定結果に従い、ノズル回復制御回路９０は、ノズル回復のための指示（スイッチ切換信号）をライン印刷制御回路１００に出力する。

静電容量を測定する時期については、インク滴を吐出する時の放電時期と、インク滴を吐出しない時の放電時期とがあって、共に、制御パルスとの同期が取られる。

また、次順の印刷動作に支障を来さないようにするために、回復放電パルス(1)及び回復放電パルス(2)の最後の立ち下がりは、ゆるやかにして（放電パルス(1)及び放電パルス(2)の立ち下がりを使う）メニスカス安定期間を設けても良い。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されるものではない。

本発明の一実施の形態による建築板印刷装置に用いる圧電素子の等価回路を示す図である。本実施の形態の建築板印刷装置の制御回路を示すブロック図である。本実施の形態のＯＮ駆動電圧発生回路の具体例を示す図である。本実施の形態の静電容量測定回路の具体的な構成を示すブロック図である。本実施の形態に用いる各信号を示す波形図である。

Claims

建築板の搬送方向と直交する方向に建築板の印刷領域にわたってインクジェットのノズルを配列して建築板に印刷する建築板印刷装置であって、
インクを吐出させるための圧電素子の静電容量を測定する静電容量測定手段を備えることを特徴とする建築板印刷装置。
前記静電容量測定手段は、静電容量の変化が所定の値よりも大きいか否かを判断することを特徴とする請求項１記載の建築板印刷装置。
前記静電容量測定手段は、全体の圧電素子の静電容量の変化に対する該当圧電素子の静電容量の変化の偏差を計算することを特徴とする請求項１記載の建築板印刷装置。
前記静電容量測定手段は、インク吐出のための圧電素子の充放電における放電電流を積分することで静電容量を測定することを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の建築板印刷装置。
前記静電容量測定手段によってノズル詰まりが発生する傾向にあると判断された圧電素子に対してインクを吐出しない範囲においてインクの増粘傾向を解消する圧力波を発生させるノズル回復信号を出力するライン印刷制御手段を更に備えることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の建築板印刷装置。