JP2006035812A

JP2006035812A - インクジェットプリンタ

Info

Publication number: JP2006035812A
Application number: JP2004223204A
Authority: JP
Inventors: Takashi Sato; 隆佐藤
Original assignee: Ricoh Printing Systems Ltd
Current assignee: Ricoh Printing Systems Ltd
Priority date: 2004-07-30
Filing date: 2004-07-30
Publication date: 2006-02-09

Abstract

【課題】
印刷開始時および印刷中におけるインク粘度をヘッドが有する複数ノズルの各々について検出する手段を提供することである。
【解決手段】
複数の圧電体素子夫々の共振周波数または反共振周波数を測定する共振周波数測定手段と、測定結果データ、共振周波数または反共振周波数とインク粘度の相関データ及び、インク粘度と圧電体素子駆動条件の相関データを記憶する記憶手段と、前記共振周波数測定手段の測定結果と前記相関データとを対比し、前記圧電体素子の駆動条件を算出する演算手段とを有することを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、圧電体素子に電気信号を印加して該圧電体素子を変形し、発生する圧力によってインク滴を飛翔させ記録媒体にインク像を形成するインクジェットプリンタに関するものである。

インクジェットプリンタは、インクジェットヘッドに形成されたノズルからインクを微小な液滴状のインク滴として吐出する。従来から、インク滴を吐出する駆動源として圧電体素子を用い、該圧電体素子で圧力室を押圧するインクジェットヘッドが知られている。圧電体素子を用いたインクジェットヘッドは、圧電体素子の端面にセラミック部材を有し、前記圧電体素子の振動面をノズルの入口開口部に対向して配置し、ハウジングに接着固定している。

インクジェットヘッドよりインク滴を吐出させるには、個別電極及び共通電極に外部駆動電源より電気信号を印加して圧電体素子を変形させる。この変形が振動板を介し圧力室の体積変化となり、圧力室内に満たされるインクへの圧力変化となる。この圧力変化により、インクはノズルからインク滴として吐出する。

インクジェットプリンタにおいて、吐出するインク滴の液滴速度を安定させることは、着地精度を上げることになるので、印刷品位の向上にとって重要である。この液滴速度に影響を与える要因としてインク粘度がある。インク粘度の変動に対して、圧電体素子の駆動条件を適切に変化させて、液滴速度を一定に保つことが重要である。

インク粘度を検知する方法としては、ノズルに供給する加圧インクの供給経路から分岐するバイパス流路を設けて、このバイパス流路を流れるインクの流量を検出することによりインク粘度を推定する方法がある（例えば、特許文献１参照。）。

インク粘度は温度による影響を大きく受けるので、インクジェットヘッド近傍に設けた温度センサの測定データから粘度を推定する方法もある（例えば、特許文献２参照。）。

圧電体素子の変形モードとして、圧電縦効果や圧電横効果を利用するダイレクトモードと圧電すべり効果を利用するシェアモードがあるが、シェアモードを利用する場合には、圧電体素子に形成された溝のうちインク吐出に使用されない溝の側壁の一部を再分極することにより焦電形温度センサを形成し、このセンサの測定データから粘度を推定する方法もある（例えば、特許文献３参照。）。

特開２００３−７２０９６号公報

特開２００２−３６１８５６号公報特開２００１−２３９６６６号公報

しかし、上記のようなバイパス流路のインク流量や、ヘッド近傍に設けた温度センサからインク粘度を推定する方法は、ヘッド内の平均的なインク粘度は得られるが、室温で高粘度のインクを加熱によって吐出可能な粘度まで下げて使用する場合に、ヘッド内に温度分布を生ずればノズル毎のインク粘度が異なり、このばらつきを捕らえることはできない。ノズル毎のインク粘度を検出しようとすれば、温度センサを多数配置しなければならず、部品点数の増加となり、コストアップにつながる。シェアモードの場合には、圧電体素子に形成された溝の側壁を利用してこれを焦電形センサにすることにより多数の温度センサが得られるが、再分極の工程が必要であり、また、ダイレクトモードを利用するインクジェットヘッドでは利用できない。

本発明は、このような問題点を解決するもので、その目的とするところは、ダイレクトモードを利用したインクジェットヘッドでも、部品点数を増加させずに、ノズル毎のインク粘度を検出する手段を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明では、インクを蓄える圧力室と、電気信号の印加により前記圧力室内に圧力変動を発生させる複数の圧電体素子と、前記圧力室の壁面の少なくとも一部を形成して圧電体素子と弾性材料で連結されている振動板と、前記圧力室にインクを供給する流路であるリストリクタと、該リストリクタにインクを供給する共通インク通路を有するハウジングと、圧力室からのインクを吐出するノズルとを備えるインクジェットヘッドを有するインクジェットプリンタにおいて、前記圧電体素子夫々の共振周波数または反共振周波数を測定する共振周波数測定手段と、測定結果データ、共振周波数または反共振周波数とインク粘度の相関データ及び、インク粘度と圧電体素子駆動条件の相関データを記憶する記憶手段と、前記共振周波数測定手段の測定結果と前記相関データとを対比し、前記圧電体素子の駆動条件を算出する演算手段とを有することを特徴とする。

本発明は、印刷開始前や印刷動作中に、圧電体素子の共振周波数または反共振周波数から圧力室内のインク粘度を検出可能とする。これにより、ノズル毎のインク粘度を印刷中に検出でき、印刷中の粘度変化による印刷品質低下を防止することが可能である。また、揮発分等を含むインクの場合には、印刷前に検出することにより、インクが使用可能域をこえて増粘しているかどうかを確認でき、さらに、共振周波数または反共振周波数を測定しながら、印刷とは関係のない駆動信号を印加してインク滴を空吐出させるフラッシング動作を行えば、使用可能域に達した時点でフラッシング動作を終了できるのでインクを節約することが可能である。

ノズル毎のインク粘度及びその経時変化を把握できるように、全ノズルについて定期的に圧電体素子の電流を検出する構成とした。

以下、本発明を実施例に基づき図面を参照して説明する。

図１は、本発明のインクジェットヘッド１０の主要部の構造説明斜視図である。複数のノズル１を形成したノズルプレート２において、ノズル１の開口形状の加工精度はインクジェットヘッド１０のインク吐出特性に大きな影響を及ぼす。複数のノズル１間において、これらのノズル精度のばらつきを低く押さえるためにも、ノズルプレート２の製法は高い加工精度が要求される。この為、ノズルプレート２はステンレスの精密プレス法、レーザ加工法あるいはニッケルの電鋳加工等により形成される。このノズルプレート２に、圧力室３が形成されたチャンバプレート４、及び共通インク通路１２と圧力室３とを連結し、圧力室３へのインク流入を制御するリストリクタ５を形成したリストリクタプレート６を位置決めして接合する。更に、ダイアフラムプレート９は、圧電体素子の圧力を効率よく圧力室３に伝えるための振動板７と、共通インク通路１２からリストリクタ５へと流入するインク中のゴミ等を取り除くフィルタ部８とを有する。このダイアフラムプレート９と共通インク通路１２を形成したハウジング１１とを同じように位置決めして接合する。チャンバプレート４、リストリクタプレート６、ダイアフラムプレート９は、ステンレス材のエッチング加工法またはニッケル材の電鋳加工法で作られる。ハウジング１１はステンレス材の切削加工等で形成され、インクカートリッジ３１（図２参照。）からインクを共通インク通路１２まで導くインク導入パイプ２０が接合されている。最後に、複数の圧電体素子１４と、それを固定する支持基板１５からなる圧電アクチュエータ１３を位置決めして接合する。圧電アクチュエータ１３は複数の圧電体素子１４からなり、各々の圧電体素子１４は圧力室３の一つずつに対応するようになっている。更に、支持基板１５には、それぞれの圧電体素子１４に外部駆動回路２１（図３参照。）から独立した電気信号を送るための個別電極１６が形成されている。外部駆動回路２１から選択的な電気信号が圧電体素子１４に印加されることにより、圧電体素子１４はひずみを生じる。圧電体素子１４は高剛性の支持基板１５上に接合されているため、振動板７に優先的に変位を与え、圧力室３の圧力を高める。本実施例にて説明するインクジェットヘッド１０は、こうした原理によってノズル１からインクを吐出して記録媒体３６上にインク画像を形成する装置に用いられる。

図２に、本発明を用いた例として、シリアル方式インクジェットプリンタを示す。インクジェットヘッド１０とこのインクジェットヘッド１０にインクを供給するインクカートリッジ３１を搭載した記録ユニット３２は、ガイドシャフト３３に対して摺動自在に支持されると共に動力伝達部材３４に連結されており、駆動源３５によりガイドシャフト３３に沿って往復運動する。一方、記録媒体３６はインクジェットヘッド１０のノズル面３７と対向し、記録ユニット３２の移動方向に直交する方向に搬送ロール３８によって搬送される。記録媒体３６にはインクジェットヘッド１０のノズル１より記録信号に応じてインクが噴射され、画像が形成される。インクジェットヘッド１０を制御する制御基板２２はケーブル２３によってインクジェットヘッド１０に接続されている。制御基板２２内には、図３に示す外部駆動回路２１やヘッド制御部５５および共振周波数測定部５２や演算部５４など、インクジェットヘッド１０の制御に関わる回路が配置されている。記録領域外に設けられたパージキャップ３９は、ゴム等の弾性体からなる。非記録時に、記録ユニット３２がパージキャップ３９の上方まで移動し、パージキャップ３９は、図示しない動力源によりノズル面３７をキャッピングする。多くの場合、キャップ内にはインク吸引の際の吸引容易化、及びキャップ内雰囲気湿潤化等のため、インク吸収シート４０が備えられている。また、パージキャップ３９の底面にはチューブ４１の一端が連結されており、チューブ４１は吸引ポンプ４２を介してキャップ内を負圧にすることが可能であり、インクジェットヘッド１０より吸引されたインクは、チューブ４１の他端側に設けられた排インク室４３へ排出される。ワイパ４４はゴムなどの弾性体からなり、記録ユニット３２がワイパ４４を通過する際に、ノズル面３７と接触することでノズル面３７に溜まったインクや異物を取り除く。なお、本例ではシリアル方式記録装置について記載しているが、印刷時にヘッドが定位置に保持される（静止する）ラインヘッド方式の記録装置であっても、ワイピング、キャッピング時に印刷時の定位置から一時退避することにより、シリアル方式と同様の方法でノズル保全が可能である。

図３は、本発明の構成を示す。図３において、圧電体素子１４にはスイッチング部５１を経由して外部駆動回路２１および共振周波数測定部５２が接続されている。共振周波数測定部５２内では、電流計６０が外部駆動回路２１から圧電体素子１４に流れる電流を測定する。ＦＦＴ演算部６１は電流計６０からの電流値をフーリエ変換することにより周波数分解し、ピークとなる周波数を共振周波数として出力する。記憶部５３にはインク粘度と共振周波数の相関を示すデータと、インク粘度と所定のインク滴の吐出速度（液滴速度）を得るのに必要な圧電体素子への印加電圧との相関を示すデータが格納されている。なお、所定の液滴速度を得るのに必要な印加電圧を駆動電圧と呼ぶ。演算部５４には共振周波数測定部５２と記憶部５３が接続されており、測定された共振周波数データから駆動電圧を算出する。上記各部はヘッド制御部５５により制御される。メインコントローラ５６は、搬送機構や保全機構など、図示されないプリンタ各部への指令を送る。

圧電体素子１４は一端を支持基板１５に固定されており、先端が振動板７に接着されている。圧電体素子１４の振動は固定板側が固定端となり、振動板７側はバネマス系における質量のついた自由端の振動として考えることができる。圧電体素子１４の長さや剛性、質量により共振周波数は固有の値となる。この機械的な共振は、例えば、圧電体素子１４のインクジェットプリンタ周波数−インピーダンス特性や、圧電体素子１４駆動時における残留振動による電流の振動周期として電気的に測定することができる。本発明においては、圧電体素子１４の共振周波数を測定するために、圧電体素子１４駆動時の残留振動による電流の振動を測定する。

図４に、本発明で使用したインクジェットヘッドにおける、インク粘度と共振周波数の相関及びインク粘度と反共振周波数の相関を示す。共振周波数、反共振周波数は、インク粘度の増加とともに大きくなっている。

図５に、本発明で使用したインクジェットヘッドにおける、インク粘度と駆動電圧の相関を示す。インク粘度の増加とともに、大きな駆動電圧が必要となる。

図４、図５に示すデータが記憶部５３に格納される。

次に、図３を用いて一連の動作を説明する。

インクの吐出周期に同期してスイッチング部５１を切り替え、共振周波数を測定するノズル１を選択する。このノズル１は圧電体素子１４の駆動を行うノズルである。この選択した圧電体素子１４を共振周波数測定部５２で測定し、得られた結果と記憶部５３のデータを用いて、演算部５４で駆動電圧を算出する。この算出値は選択したノズル１の駆動電圧として、メインコントローラ５６を介してヘッド制御部５５に送られ、選択した圧電体素子１４を外部駆動回路２１で駆動する。

以上の動作を全ノズルについて行うことにより、インクジェットヘッド内に温度分布があって同じ駆動電圧では液滴速度がばらつく場合でも、ノズル毎の圧力室内のインク粘度を把握できるので、各ノズルに適切な駆動電圧を与えることができる。また、本発明による方法ではインク吐出中でも測定が可能となるので、インク吐出中に定期的に測定を行うことにより、環境温度の変化等で時間的にインク粘度が変動する場合でも、各ノズルに適切な駆動電圧を与えることができる。

なお、本実施例では粘度検出方法として共振周波数を測定することについて述べたが、反共振周波数を測定しても同様の効果が得られる。また、駆動条件として、駆動電圧を変更する場合について述べたが、使用する装置の回路構成によりパルス幅を変更する等様々な条件調整方法がある。

揮発分等を含むインクを使用する場合には、印刷前に共振周波数を検出することにより、インクが使用可能域をこえて増粘しているかどうかを確認でき、さらに、共振周波数を測定しながら、印刷とは関係のない駆動信号を印加してインク滴を空吐出させるフラッシング動作を行えば、使用可能域に達した時点でフラッシング動作を終了できるので、廃インク工程にも適用できる。

インクジェットヘッドを示す斜視図である。インクジェットプリンタの一例を示す概略図である。本発明の実施例を示すブロック図である。（実施例１）インク粘度と共振周波数・反共振周波数の関係を示すグラフである。インク粘度と駆動電圧の関係を示すグラフである。

符号の説明

１はノズル、２はノズルプレート、３は圧力室、５はリストリクタ、７は振動板、９はダイアフラムプレート、１０はインクジェットヘッド、１１はハウジング、１３は圧電アクチュエータ、１４は圧電体素子、１５は支持基板、２１は外部駆動回路、２２は制御基板、３９はパージキャップ、４４はワイパ、５１はスイッチング部、５２は共振周波数測定部、５３は記憶部、５４演算部、５５はヘッド制御部、５６はメインコントローラ、６０は電流計、６１はＦＦＴ演算部である。

Claims

インクを蓄える圧力室と、電気信号の印加により前記圧力室内に圧力変動を発生させる複数の圧電体素子と、前記圧力室の壁面の少なくとも一部を形成して圧電体素子と弾性材料で連結されている振動板と、前記圧力室にインクを供給する流路であるリストリクタと、該リストリクタにインクを供給する共通インク通路を有するハウジングと、圧力室からのインクを吐出するノズルとを備えるインクジェットヘッドを有するインクジェットプリンタにおいて、前記圧電体素子夫々の共振周波数または反共振周波数を測定する共振周波数測定手段と、測定結果データ、共振周波数または反共振周波数とインク粘度の相関データ及び、インク粘度と圧電体素子駆動条件の相関データを記憶する記憶手段と、前記共振周波数測定手段の測定結果と前記相関データとを対比し、前記圧電体素子の駆動条件を算出する演算手段とを有することを特徴とするインクジェットプリンタ。
前記共振周波数測定手段は、前記インクジェットヘッドのインク吐出時において、前記圧電体素子の電流を測定する電流測定手段と、前記電流値を周波数分解し、ピークとなる周波数を選択する演算手段とを備えることを特徴とする請求項１記載のインクジェットプリンタ。
印字開始前に、前記共振周波数測定手段により共振周波数または反共振周波数を測定し、得られたデータが所定の判定値よりも大きい場合は、前記圧力室内のインクが増粘していると判断し、前記判定値よりも小さくなるまでフラッシング動作を行うことを特徴とする請求項１記載のインクジェットプリンタ。