JP2006218727A - インクジェットプリンタのヘッド駆動装置 - Google Patents

Abstract

【課題】インクジェットプリンタの圧電式アクチュエータ駆動後の残留振動を確保してノズルの状態を的確に検出可能とする。
【解決手段】台形状のパルス駆動信号で圧電式アクチュエータを駆動し、駆動信号の立上がり（第１段階）でキャビティの容積を拡大してインクを引き込み、駆動信号の立下がり（第２段階）でキャビティの容積を縮小してインク滴を吐出する場合、第１段階後、キャビティの振動がインク引き込み側から吐出側に反転する位相に合わせて第２段階を開始する、即ち第１段階開始から第２段階開始までの時間ｔ４をキャビティの固有振動周期Ｔｃの半分にすることで残留振動を増幅する。また、第１段階時間ｔ１及び第２段階時間ｔ２をアクチュエータの固有振動周期Ｔａとすることで、残留振動にアクチュエータ固有振動モードを発生させない。
【選択図】 図１２

Description

本発明は、例えば複数色の液体インク滴を複数のノズルから吐出してその微粒子（ドット）を印刷用紙（記録材）上に出力することにより、所定の文字や画像を描画するようにしたインクジェットプリンタのヘッド駆動装置に関するものである。

このようなインクジェットプリンタは、一般に安価で且つ高品質のカラー印刷物が容易に得られることから、パーソナルコンピュータやデジタルカメラなどの普及に伴い、オフィスのみならず一般ユーザにも広く普及してきている。
このようなインクジェットプリンタは、一般に、インクカートリッジと印字ヘッドとが一体的に備えられたキャリッジなどと称される移動体が印刷媒体（記録紙）上をその紙送り方向の左右に往復しながらその印字ヘッドのノズルから液体インク滴子を吐出（噴射）して記録紙上に微小なドットを形成出力することで、当該記録紙上に所定の文字や画像を描画して所望の印刷物を作成するようになっている。そして、このキャリッジに黒色（ブラック）を含めた４色（イエロー、マゼンタ、シアン）のインクカートリッジと各色毎の印字ヘッドを備えることで、モノクロ印刷のみならず、各色を組み合わせたフルカラー印刷も容易に行えるようになっている（更に、これらの各色に、ライトシアンやライトマゼンタなどを加えた６色や７色、或いは８色のものも実用化されている）。

ところで、この種のインクジェットプリンタでは、記録紙上のインクのにじみを防止するために、乾燥し易いインク又はインク成分を採用している。その結果、印字していないときにはインクジェットヘッドのノズルからインクの溶媒成分（水、溶剤、油など）が蒸発してノズル部のインク粘度が上昇し、インク滴の吐出出力に支障を来すことがある。また、インクジェットヘッドのキャビティ（インク収容部）などに気泡が混入したり、ゴミや紙粉などがノズル面に付着したりした場合にも、インク滴の吐出出力に支障を来すことがある。このようにして、所謂ノズルが目詰まりしてインク滴を吐出できなくなると、記録紙上の画像に所謂ドット抜けが生じ、画質を劣化させる原因となる。

そこで、以下の特許文献１では、アクチュエータである圧電素子を電気信号で駆動してインク室からインク滴を噴射させる装置において、圧電素子を駆動した後に圧電素子に発生する過剰電圧（起電圧）を検出し、その振動の状態からインク室内の気泡の有無、インク未充填を検出してノズル不具合によるプリントミスなどの誤動作を防止している。
特開平１０−１１４０６８号公報

ところで、印字速度の高速化の要求からノズル数を増やす、所謂多ノズル化やノズルヘッドの小型化が推進されており、これに伴って印字アクチュエータとしての圧電素子も小型化されていることから圧電素子の起電圧（起電力）が小さくなっている。そのため、前記圧電素子の負荷インピーダンス変化による振動分（以下、残留振動とも示す）の検出が困難となっている。この残留振動を用いたドット抜け検出は、光学式センサのように直接記録紙上のインクドットを検出するものではなく、残留振動によってノズルヘッド内のノズル流路や圧力室等の状態を推定するものであるため、残留振動の検出が困難になるとドット抜けの誤検出を招くという問題につながる。

本発明は、上記のような問題点に着目してなされたものであり、アクチュエータを構成する圧電素子を駆動したときの圧力室の残留振動を的確に検出することが可能なインクジェットプリンタのヘッド駆動装置を提供することを目的とするものである。

［発明１］上記課題を解決するために、発明１のインクジェットプリンタのヘッド駆動装置は、インク滴を吐出する複数のノズルと、各ノズルに夫々連通する圧力室と、各圧力室に対応して設けられ且つ圧電素子で構成されるアクチュエータとを備えたインクジェットプリンタのノズルヘッドに対し、前記ノズルからインク滴を吐出するために前記アクチュエータに駆動信号を出力する駆動手段と、前記駆動信号による圧力室内の圧力変化発生後の残留振動を、前記アクチュエータを構成する圧電素子の起電力の変化として検出する残留振動検出手段とを備え、前記駆動手段は、前記駆動信号に、圧力室の容積を拡大してインクを引き込む第１段階と、圧力室の容積を縮小してインク滴を吐出する第２段階とを設けるものとし、且つ前記第１段階で生じるインク充満状態での圧力室の固有振動が反転する位相に合わせて第２段階を設定することを特徴とするものである。

この発明に言う、圧力室の固有振動が反転する位相とは、例えば圧力室内のインクのメニスカスが圧力室内に引き込まれ、次いでインク滴を吐出する方向に切替わるタイミングを意味する。つまり、圧力室内に発生する固有振動の方向が切替わるタイミングを意味している。
この発明１に係るインクジェットプリンタのヘッド駆動装置によれば、ノズルからインク滴を吐出するためにアクチュエータに駆動信号を出力する駆動手段と、駆動信号による圧力室内の圧力変化発生後の残留振動を、アクチュエータを構成する圧電素子の起電力の変化として検出する残留振動検出手段とを備え、駆動手段は、駆動信号に、圧力室の容積を拡大してインクを引き込む第１段階と、圧力室の容積を縮小してインク滴を吐出する第２段階とを設けるものとし、且つ第１段階で生じるインク充満状態での圧力室の固有振動が反転する位相に合わせて第２段階を設定する構成としたため、圧力室の固有振動が駆動信号の第２段階によって打ち消されにくくなり、その結果、当該駆動信号による圧力室内の圧力変化発生後の残留振動を確保することができるのでそれを的確に検出することが可能となる。

［発明２］発明２のインクジェットプリンタのヘッド駆動装置は、前記発明１のインクジェットプリンタのヘッド駆動装置において、前記第１段階から第２段階に切替えるまでの時間を、前記インク充満状態での圧力室の固有振動周期の０．４倍以上０．８倍以下としたことを特徴とするものである。
この発明２に係るインクジェットプリンタのヘッド駆動装置によれば、駆動信号の第１段階から第２段階に切替えるまでの時間、つまり圧力室の容積を拡大してインクを引き込む段階と、圧力室の容積を縮小してインク滴を吐出する段階との間隔を、インク充満状態での圧力室の固有振動周期の０．４倍以上０．８倍以下としたことにより、圧力室の固有振動が確実に打ち消されにくくなり、その結果、駆動信号による圧力室内の圧力変化発生後の残留振動を確実に確保することができる。

［発明３］発明３のインクジェットプリンタのヘッド駆動装置は、前記発明１又は２のインクジェットプリンタのヘッド駆動装置において、前記駆動手段は、前記残留振動検出手段で１回の残留振動を検出するために、２つ以上の駆動信号を出力することを特徴とするものである。
この発明３に係るインクジェットプリンタのヘッド駆動装置によれば、１回の残留振動を検出するために、２つ以上の駆動信号を出力することにより、先の駆動信号による圧力室内の圧力変化発生後の残留振動を次の駆動信号によって増幅することが可能となり、その結果、駆動信号による圧力室内の圧力変化発生後の残留振動を確実に検出することが可能となる。

［発明４］発明４のインクジェットプリンタのヘッド駆動装置は、前記発明３のインクジェットプリンタのヘッド駆動装置において、前記駆動手段は、先の駆動信号の出力後、メニスカスの振動が圧力室内方向に引き込まれ次いでインク滴吐出方向で最大となるとき又はその近傍で、前記第１段階となる次の駆動信号を出力することを特徴とするものである。

この発明４に係るインクジェットプリンタのヘッド駆動装置によれば、先の駆動信号の出力後、メニスカスの振動が圧力室内方向に引き込まれ次いでインク滴吐出方向で最大となるとき又はその近傍で、第１段階、つまり圧力室（メニスカス）の振動が圧力室内方向に引き込まれる次の駆動信号を出力する構成としたため、先の駆動信号による圧力室内の圧力変化発生後の残留振動を次の駆動信号によって確実に増幅することが可能となる。

［発明５］発明５のインクジェットプリンタのヘッド駆動装置は、前記発明３又は４の何れかのインクジェットプリンタのヘッド駆動装置において、先の駆動信号の出力から次の駆動信号の出力までの時間を、前記アクチュエータを構成する圧電素子の固有振動周期の０．９倍以上１．１倍以下としたことを特徴とするものである。
この発明５に係るインクジェットプリンタのヘッド駆動装置によれば、先の駆動信号の出力から次の駆動信号の出力までの時間を、アクチュエータを構成する圧電素子の固有振動周期の０．９倍以上１．１倍以下としたことにより、先の駆動信号による圧力室内の圧力変化発生後の残留振動を次の駆動信号によって確実に増幅することが可能となる。

［発明６］発明６のインクジェットプリンタのヘッド駆動装置は、前記発明１乃至５の何れかのインクジェットプリンタのヘッド駆動装置において、前記インク充満状態での圧力室の固有振動周期と前記アクチュエータを構成する圧電素子の固有振動周期とが異なる場合、前記第１段階の時間及び第２段階の時間を、前記圧電素子の固有振動周期又はその近傍に設定することを特徴とするものである。

この発明６のインクジェットプリンタのヘッド駆動装置によれば、インク充満状態での圧力室の固有振動周期とアクチュエータを構成する圧電素子の固有振動周期とが異なる場合、第１段階の時間及び第２段階の時間、つまり圧力室の容積を拡大してインクを引き込む段階の時間及び圧力室の容積を縮小してインク滴を吐出する段階の時間を、圧電素子の固有振動周期又はその近傍に設定する構成としたため、駆動信号による圧力室内の圧力変化発生後の残留振動に圧電素子の固有振動が現れにくくなり、当該駆動信号による圧力室内の圧力変化発生後の残留振動を的確に検出することが可能となる。

次に、本発明のインクジェットプリンタのヘッド駆動装置の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本実施形態のインクジェットプリンタ１の概略構成を示す平面図である。このインクジェットプリンタ１は、図１に示すように、ヘッドユニット２及びインクカートリッジ３を搭載したキャリッジ４を備え、このキャリッジ４は１組のキャリッジ軸５に案内されて主走査方向に移動できるようになっている。また、キャリッジ４の一部は歯付きベルト９に固定され、且つ歯付きベルト９は、モータ６の回転軸に固定された駆動プーリ７と従動プーリ８との間に掛け渡されている。

更にキャリッジ４にはエンコーダ１０が取付けられ、キャリッジ４の移動方向に沿ってリニアスケール１１が設けられている。これにより、エンコーダ１０によりキャリッジ４上のヘッドユニット２の位置を検出するようになっている。なお、図１において、符号１２はヘッドユニット２とシステムコントローラなどとを電気的に接続するケーブルであり、符号１３は、後述するインクジェットヘッドの表面をクリーニングするワイパであり、符号１４は、そのインクジェットヘッドのノズル基板（図３参照）のキャッピングを行うキャップである。

このような構成からなるインクジェットプリンタ１では、エンコーダ１０の検出信号がモータ制御回路（図示せず）に入力されると、そのモータ制御回路によりモータ６の回転動作が、加速、一定速度、減速、反転、加速、一定速度、減速、反転…といったように制御される。このようなモータ６の動作に伴って、キャリッジ４が主走査方向に往復移動を繰り返し、一定速度の区間が印刷領域に相当するので、その一定速度の際にキャリッジ４に搭載されるヘッドユニット２のノズルから記録紙ａ上にインク滴が吐出される。この結果、記録紙ａには、そのインク滴からなるインクドットによって所定の文字や画像が記録（印字）される。

次に、図１に示すヘッドユニット２の具体的な構成について、図２ａ及び図３を参照して説明する。このヘッドユニット２は、図２ａに示すようなインクジェットヘッド（ノズルヘッド）２０を複数個備え、各インクジェットヘッド２０は圧電式アクチュエータを用いたものである。インクジェットヘッド２０は、図２ａに示すように、振動板２１と、この振動板２１を変位させる圧電式アクチュエータ２２と、内部に液体であるインクが充填され且つ振動板２１の変位により内部の圧力が増減されるキャビティ（圧力室）２３と、このキャビティ２３に連通し且つ当該キャビティ２３内の圧力の増減によりインクを液的として吐出するノズル２４とを少なくとも備えている。

更に詳述すると、インクジェットヘッド２０は、ノズル２４が形成されたノズル基板２５と、キャビティ基板２６と、振動板２１と、複数の圧電素子２７を積層した積層型の圧電式アクチュエータ２２とを備えている。キャビティ基板２６は、図示のように所定形状に形成され、これにより、キャビティ２３と、これに連通するリザーバ２８とが形成されている。また、リザーバ２８は、インク供給チューブ２９を介してインクカートリッジ３に接続されている。圧電式アクチュエータ２２は、対向して配置される櫛歯状の電極３１、３２と、その電極３１、３２の各櫛歯と交互に配置される圧電素子２７とからなる。また、圧電式アクチュエータ２２は、その一端側が図２ａに示すように、中間層３０を介して振動板２１と接合されている。

このような構成からなる圧電式アクチュエータ２２では、第１電極３１と第２電極３２との間に印可される駆動信号源からの駆動信号により、図２ａに矢印で示すように上下方向に伸び縮みするモードを利用している。従って、圧電式アクチュエータ２２では、例えば図２ａに示すような駆動信号が印可されると、振動板２１に変位が生じてキャビティ２３内の圧力が変化し、ノズル２４からインク滴が吐出されるようになっている。具体的には、後段に詳述するように、キャビティ２３の容積を拡大してインクを引き込み、次いでキャビティ２３の容積を縮小してインク滴を吐出する。なお、図２ａに示すノズル基板２６に形成されるインクジェットヘッド２０毎のノズル２４は、例えば図３に示すように配列されている。この図３の例では、４色のインク（Ｙ：イエロー、Ｍ：マゼンダ、Ｃ：シアン、Ｋ：ブラック）に適用した場合のノズル２４の配列パターンを示しており、これらの色の組合せにより所謂フルカラー印刷が可能となる。

このようなインクジェットヘッド２０を備えたインクジェットプリンタ１では、インク切れ、気泡の発生、目詰まり（乾燥）、紙粉付着などの原因によって、ノズル２４からインク滴が吐出すべきときに吐出しないというインク滴の吐出異常（不吐出）、所謂ドット抜け現象を生じることがある。ここで、紙粉とは、木材パルプを原料とする記録紙が記録ローラなどと摩擦接触した際に発生し易く、記録紙の一部からなり、繊維状又はその集合体のものを意味する。

ここで、圧電式アクチュエータ２２の他の例を図２ｂに示す。図中の符号は、図２ａのものを流用している。この圧電式アクチュエータは、一般にユニモルフ型アクチュエータと呼ばれ、圧電素子２７を二つの電極３１、３２で挟んだ簡単な構造であるが、駆動信号を印可することによって、図２ａの積層型アクチュエータと同様に、図の上下方向に伸び縮みし、キャビティ２３の容積を拡大してインクを引き込み、次いでキャビティ２３の容積を縮小してノズル２４からインク滴を吐出する。

前記インクジェットプリンタ１内には、自身を制御するための制御装置が設けられている。この制御装置は、例えば図４に示すように、例えばパーソナルコンピュータ、デジタルカメラ等のホストコンピュータ６０から入力された印刷データに基づいて、印刷装置や給紙装置等を制御することにより記録紙に印刷処理を行うものである。そして、ホストコンピュータ６０から入力された印刷データを受取る入力インタフェース部６１と、この入力インタフェース部６１から入力された印雑データに基づいて印刷処理を実行する例えばマイクロコンピュータで構成される制御部６２と、キャリッジモータ４１を駆動制御するキャリッジモータドライバ６３と、給紙モータ５１を駆動制御する給紙モータドライバ６４と、インクジェットヘッド２０を駆動制御するヘッドドライバ６５と、各ドライバ６３、６４、６５の出力信号を外部のキャリッジモータ４１、給紙モータ５１、インクジェットヘッド２０で使用する制御信号に変換して出力すると共に、残留振動検出手段１５で検出されたキャビティの残留振動を制御部６２に入力する入出力インタフェース６７とを備えて構成される。

ここで、制御部６２は、印刷処理等の各種処理を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）６２ａと、入力インタフェース６１を介して入力された印刷データ或いは当該印刷データ印刷処理等を実行する際の各種データを一時的に格納し、或いは印刷処理等のアプリケーションプログラムを一時的に展開するＲＡＭ（Random Access Memory）６２ｃと、ＣＰＵ６２ａで実行する制御プログラム等を格納する不揮発性半導体メモリで構成されるＲＯＭ（Read-Only Memory）６２ｄとを備えている。この制御部６２は、入力インタフェース部６１を介してホストコンピュータ６０から印刷データを入手すると、ＣＰＵ６２ａが、この印刷データに所定の処理を実行して、この処理データ及び各種センサからの入力データに基づいて、各ドライバ６３〜６５に制御信号を出力する。各ドライバ６３〜６５から制御信号が出力されると、これらが入出力インタフェース部６７で駆動信号に変換されてインクジェットヘッド２０の複数のノズル２４に対応する圧電式アクチュエータ２２、キャリッジモータ４１、給紙モータ５１が夫々作動して、記録紙に印刷処理が実行される。なお、制御部６２内の各構成要素は、図示しないバスを介して電気的に接続されている。

また、制御部６２は、後述する駆動信号を形成するための波形形成用データＤＡＴＡを後述する波形メモリ７０１に書込むために、書込みイネーブル信号ＤＥＮと、書込みクロック信号ＷＣＬＫと、書込みアドレスデータＡ０〜Ａ３とを出力して、例えば１６ビットの波形形成用データＤＡＴＡを波形メモリ７０１に書込むと共に、この波形メモリ７０１に記憶された波形形成用データＤＡＴＡを読出すための読出しアドレスデータＡ０〜Ａ３、波形メモリ７０１から読出した波形形成用データＤＡＴＡをラッチするタイミングを設定する第１のクロック信号ＡＣＬＫ、ラッチした波形データを加算するためのタイミングを設定する第２のクロック信号ＢＣＬＫ及びラッチデータをクリアするクリア信号ＣＬＥＲをヘッドドライバ６５に出力する。

ヘッドドライバ６５は、駆動信号ＣＯＭを形成する駆動信号発生回路７０と、クロック信号ＳＣＫを出力する発振回路７１とを備えている。駆動信号発生回路７０は、図５に示すように、制御部６２から入力される駆動信号生成のための波形形成用データＤＡＴＡを所定のアドレスに対応する記憶素子に記憶する波形メモリ７０１と、この波形メモリ７０１から読出された波形形成用データＤＡＴＡを前述した第１のクロック信号ＡＣＬＫによってラッチするラッチ回路７０２と、ラッチ回路７０２の出力と後述するラッチ回路７０４から出力される波形生成データＷＤＡＴＡとを加算する加算器７０３と、この加算器７０３の加算出力を前述した第２のクロック信号ＢＣＬＫによってラッチするラッチ回路７０４と、このラッチ回路７０４から出力される波形生成データＷＤＡＴＡをアナログ信号に変換するＤ／Ａ変換器７０５と、このＤ／Ａ変換器７０５から出力されるアナログ信号を電圧増幅する電圧増幅部７０６と、この電圧増幅部７０６の出力信号を電流増幅して駆動信号ＣＯＭを出力する電流増幅部７０７とを備えている。ここで、ラッチ回路７０２、７０４には制御部６２から出力されるクリア信号ＣＬＥＲが入力され、このクリア信号ＣＬＥＲがオフ状態となったときに、ラッチデータがクリアされる。

波形メモリ７０１は、図６に示すように、指示したアドレスに夫々数ビットずつのメモリ素子が配列され、アドレスＡ０〜Ａ３と共に波形データＤＡＴＡが記憶される。具体的には、制御部６２から指示したアドレスＡ０〜Ａ３に対して、クロック信号ＷＣＬＫと共に波形データＤＡＴＡが入力され、書込みイネーブル信号ＤＥＮの入力のよってメモリ素子に波形データＤＡＴＡが記憶される。

インクジェットヘッド２０には、入出力インタフェース部６７を介して、駆動信号発生回路７０で生成された駆動信号ＣＯＭ、印刷データに基づいて吐出するノズルを選択するデータ信号ＳＩ、全ノズルにノズル選択データが入力された後、これらのデータにより駆動信号ＣＯＭとインクジェットヘッド２０の圧電式アクチュエータ２２とを接続させるラッチ信号ＬＡＴ、これらの選択データ信号ＳＩをシリアル信号としてインクジェットヘッド２０に送信するためのクロック信号ＳＣＫが入力されている。

次に、前記駆動信号発生回路７０から出力される駆動信号ＣＯＭと圧電式アクチュエータ２２とを接続する構成について説明する。図７は、駆動信号ＣＯＭと圧電式アクチュエータ２２とを接続する選択部のブロック図である。この選択部は、インク滴を吐出させるべきノズルに対応した圧電式アクチュエータ２２を指定するデータを保存するシフトレジスタ２１１と、シフトレジスタ２１１のデータを一時的に保存するラッチ回路２１２と、ラッチ回路２１２の出力をレベル変換するレベルシフタ２１３と、レベルシフタの出力に応じて駆動信号ＣＯＭを圧電式アクチュエータ２２に接続する選択スイッチ２０１によって構成されている。

シフトレジスタ２１１には、印刷データとしてデータ信号ＳＩが順次入力されると共に、クロック信号ＣＬＫの入力パルスに応じて記憶領域が初段から順次後段にシフトする。ラッチ回路２１２は、ノズル数分の印字データがシフトレジスタ２１１に格納された後、入力されるラッチ信号ＬＡＴによってシフトレジスタ２１１の各出力信号をラッチする。ラッチ回路２１２に保存された信号は、レベルシフタ２１３によって次段の選択スイッチ２０１をオンオフできる電圧レベルに変換される。これは、駆動信号ＣＯＭが、ラッチ回路２１２の出力電圧に比べて高い電圧であるため、選択スイッチ２０１の動作電圧範囲も高く設定されているためである。選択スイッチ２０１は、ＰチャンネルＦＥＴとＮチャンネルＦＥＴとを組合せたトランスミッションゲートによるアナログスイッチで構成されており、このアナログスイッチを十分に動作させるためにゲート電圧を高い値にレベル変換している。そして、レベルシフタ２１３によって選択スイッチ２０１のゲート電圧が印加されたノズルの圧電式アクチュエータ２２は駆動信号ＣＯＭに接続される。また、シフトレジスタ２１１の印刷データ信号ＳＩがラッチ回路２１２に保存された後、次の印字情報をシフトレジスタ２１１に入力し、インク滴の吐出タイミングに合わせてラッチ回路２１２の保存データを順次更新する。なお、図中の符号ＨＧＮＤは、圧電式アクチュエータ２２のグランド端である。

次に、駆動信号生成の原理について説明する。まず、前述したアドレスＡ０には単位時間当たりの電圧変化量として０となる波形データが書込まれている。同様に、アドレスＡ１には＋ΔＶ１、アドレスＡ２には−ΔＶ２、アドレスＡ３には＋ΔＶ３の波形データが」書込まれている。また、クリア信号ＣＬＥＲによってラッチ回路７０２、７０４の保存データがクリアされる。また、駆動信号ＣＯＭは、所望の波形データによって中間電位（オフセット）まで立上げられている。

この状態から、例えば図８に示すようにアドレスＡ１の波形データが読込まれ且つ第１クロック信号ＡＣＬＫが入力されるとラッチ回路７０２に＋ΔＶ１のデジタルデータが保存される。保存された＋ΔＶ１のデジタルデータは加算器７０３を経てラッチ回路７０４に入力され、このラッチ回路７０４では、第２クロック信号ＢＣＬＫの立上がりに同期して加算器７０３の出力を保存する。加算器７０３には、ラッチ回路７０４の出力も入力されるので、ラッチ回路７０４の出力（ＣＯＭ）は、第２クロック信号ＢＣＬＫの立上がりのタイミングで＋ΔＶ１ずつ加算される。この例では、時間幅Ｔ１の間、アドレスＡ１の波形データが読込まれ、その結果、＋ΔＶ１のデジタルデータが３倍になるまで加算されている。

次いで、アドレスＡ０の波形データが読込まれ且つ第１クロック信号ＡＣＬＫが入力されるとラッチ回路７０２に保存されるデジタルデータは０に切替わる。この０のデジタルデータは、前述と同様に、加算器７０３を経て、第２クロック信号ＢＣＬＫの立上がりのタイミングで加算されるが、デジタルデータが０であるので、実質的には、それ以前の値が保持される。この例では、時間幅Ｔ０の間、駆動信号ＣＯＭが一定値に保持されている。

次いで、アドレスＡ２の波形データが読込まれ且つ第１クロック信号ＡＣＬＫが入力されるとラッチ回路７０２に保存されるデジタルデータは−ΔＶ２に切替わる。この−ΔＶ２のデジタルデータは、前述と同様に、加算器７０３を経て、第２クロック信号ＢＣＬＫの立上がりのタイミングで加算されるが、デジタルデータが−ΔＶ２であるので、実質的には第２クロック信号に合わせて駆動信号ＣＯＭは−ΔＶ２ずつ減算される。この例では、時間幅Ｔ２の間、駆動信号ＣＯＭは、−ΔＶ２のデジタルデータが６倍になるまで減算されている。

このようにして生成されアナログ変換・電圧電流増幅されて出力された駆動信号ＣＯＭが、前述した図２ａに示すような波形信号になる。このうち駆動信号ＣＯＭの立上がり部分がキャビティ２３の容積を拡大してインクを引き込む（インクの吐出面を考えればメニスカスを引き込むとも言える）段階であり、駆動信号ＣＯＭの立下がり部分がキャビティ２３の容積を縮小してインク滴を吐出する（インクの吐出面を考えればメニスカスを押出すとも言える）段階である。本実施形態では、前者を第１段階、後者を第２段階と定義する。ちなみに、夫々の段階の時間は、前述からも容易に推察されるように、アドレスＡ０〜Ａ３に書込まれる波形データ０、＋ΔＶ１、−ΔＶ２、＋ΔＶ３、第１クロック信号ＡＣＬＫ、第２クロック信号ＢＣＬＫによって調整可能である。

さて、このようにして各ノズル２４に対応する圧電式アクチュエータ２２に駆動信号ＣＯＭを印加し、インク滴が吐出されると、その際の圧力変動後、キャビティ２３内に残留振動（正確には、図２の振動板２１の自由振動）が発生する。この残留振動の状態から各ノズル２４の状態（キャビティ２３内の状態を含む）を検出することが可能である。例えば図９に示すように、ノズル正常時に比べて、気泡がインクの流路やノズル先端に混入した場合（図の「気泡混入」に該当）には、気泡が混入した分だけインク重量（＝イナータンス）が減少すると共に、気泡によりノズル径が大きくなった状態と等価となって音響抵抗が減少し、振動周波数が高くなる特徴がある。また、ノズル部のインクが乾燥した場合（図の「乾燥」に該当）には、インクの粘性が増加することによって音響抵抗が増大し、過減衰になるという特徴がある。また、紙粉やゴミがノズル面に付着した場合（図の「紙粉」に該当）には、紙粉によりノズルからインクが染み出すことによって、振動板から見たインク重量が増加してイナータンスが増加し、またノズルに付着した紙粉の繊維によって音響抵抗が増大し、周期が大きくなる（周波数が低くなる）という特徴がある。

そこで、このような残留振動を検出するための残留振動検出手段１５として、例えば図１０に示す回路が設けられている。この残留振動検出手段１５は、キャビティ２３内の圧力変化が圧電式アクチュエータ２２に伝達されることを利用して検出するものであり、具体的には圧電式アクチュエータ２２の機械的変位によって発生する起電力（起電圧）の変化を検出するものである。この残留振動検出手段１５は、圧電式アクチュエータ２２のグランド端ＨＧＮＤを接地又は開放するスイッチ（トランジスタＱ）と、圧電式アクチュエータ２２に駆動信号ＣＯＭを印可した後にグランド端ＨＧＮＤを接地又は開放することで発生する残留振動の交流成分を増幅する交流増幅器１６と、増幅された残留振動ＶａＯＵＴを基準電圧Ｖｒｅｆ１でパルスＰＯＵＴに変換する比較器１７とで構成されている。このうち、交流増幅器１６は、直流成分を除去するコンデンサＣと、基準電圧Ｖｒｅｆ１の電位を基準として抵抗Ｒ１、Ｒ２で決まる増幅率で反転増幅する演算器ＡＭＰとで構成されている。

次に、前述した図２ａ、ｂの各インクジェットヘッド２０について考察する。図１１は、インクジェットヘッド、特に残留振動の発生部分の等価回路である。図中の符号は以下の通りである。
Ｃａ：アクチュエータのコンプライアンス（単位圧力あたりの容積変化）
Ｍａ：アクチュエータのイナータンス（質量）
Ｃｎ：メニスカスの表面張力によるコンプライアンス
Ｍｎ：ノズル流路のイナータンス
Ｒｎ：ノズル流路の抵抗
Ｍｓ：インク供給路のイナータンス
Ｒｓ：インク供給路の抵抗
Ｃｃ：インク室のコンプライアンス＝Ｃｉ＋Ｃｖ
Ｃｉ：インクの圧縮性によるコンプライアンス
Ｃｖ：振動板のコンプライアンス
キャビティ（圧力室）の振動モードは下記１式で表れる。

Ｔｃ＝２π√（Ｍ×Ｃｃ）
Ｔｃはキャビティ（インク充満状態）の固有振動周期である。Ｍは、キャビティからみたインク流路のイナータンスであり、ノズル流路のイナータンスＭｎとインク供給路のイナータンスＭｓの並列合成イナータンスとなる。
例えば図２ａに示す積層型圧電式アクチュエータ２２の場合には、厚さの薄い圧電素子２７を積層し、縦振動モードで使用しているため、圧電式アクチュエータ２２のコンプライアンスは振動板２１のコンプライアンスに比べて小さい値（硬い）となる。また、圧電式アクチュエータ２２の縦寸法が大きく、イナータンスＭａを無視することができないため、圧電式アクチュエータ２２の固有振動モードとして、固有振動周期Ｔａで振動する成分が存在し、それはキャビティ２３のインクの有無に関係なく圧電式アクチュエータ２２の動作によって発生する。一方、図２ｂのユニモルフ型圧電式アクチュエータ２２の場合には、圧電素子２７が薄く小さいため、圧電式アクチュエータ２２のイナータンスＭａを無視することができ、圧電式アクチュエータ２２の固有振動周期Ｔａは凡そインク充満状態でのキャビティ２３の固有振動周期Ｔｃと考えることができる。

即ち、図２ａの積層型圧電式アクチュエータ２２の場合は、キャビティ２３の固有振動モードの他に圧電式アクチュエータ２２の固有振動モードが含まれており、この圧電式アクチュエータ２２の固有振動モードは、キャビティ２３の残留振動を検出する際には不要な振動であるため、圧電式アクチュエータ２２の固有振動が可及的に表れず且つ安定した残留振動を確保可能な駆動信号ＣＯＭの設定が必要となる。一方、図２ｂのユニモルフ型圧電式アクチュエータ２２の場合は、圧電式アクチュエータ２２の固有振動モードを無視できるため、安定した残留振動を確保可能な駆動振動ＣＯＭの設定を行う。

図１２は、駆動信号ＣＯＭを１つだけ印加したときの圧電式アクチュエータ２２（図では圧電素子）の変位、即ち検出される残留振動、キャビティ２３（図では圧力室）の振動を含むメニスカス（インクのノズル吐出面）の振動、駆動信号ＣＯＭのシミュレーション結果を示す。圧電式アクチュエータ２２には図２ａの積層型圧電式アクチュエータを用いた。図に太い線で示す波形は、駆動信号立上がりから立下がりまでの時間、即ち第１段階から第２段階までの時間ｔ４をキャビティ２３の固有振動周期Ｔｃの約半分に設定した場合のものであり、図に細い線で示す波形は、第１段階から第２段階までの時間ｔ５を約キャビティ２３の固有振動周期Ｔｃになるように設定した場合のものである。なお、駆動信号立上がり時間、即ち第１段階時間ｔ１及び駆動信号立下がり時間、即ち第２段階時間ｔ２は、共に圧電式アクチュエータ２２の固有振動周期Ｔａとした。

第１段階から第２段階までの時間ｔ４をキャビティ２３の固有振動周期Ｔｃの約半分に設定した場合には、時間ｔ４の間にキャビティ２３の容積が拡大されてメニスカス（インク）が引き込まれ、メニスカスの振動（キャビティの振動）が反転する位相で駆動信号ＣＯＭが切替えられてキャビティ２３の容積が縮小されてインクが押し出されているので、インク滴（図では液滴）の吐出速度が大きくなっている。これに対し、第１段階から第２段階までの時間ｔ４を約キャビティ２３の固有振動周期Ｔｃになるように設定した場合には、前記時間ｔ４よりも長い時間ｔ５の間に、キャビティ２３の容積が拡大されてメニスカス（インク）が引き込まれた後、キャビティ２３の容積が縮小している。その結果、駆動信号ＣＯＭを立下げてキャビティ２３の容積を縮小してもメニスカスの振動は十分に加振されない。また、これらの影響を受けて、圧電式アクチュエータ２２の変位、即ち残留振動は、第１段階から第２段階までの時間ｔ４をキャビティ２３の固有振動周期Ｔｃの約半分に設定した場合の方が、第１段階から第２段階までの時間ｔ４を約キャビティ２３の固有振動周期Ｔｃになるように設定した場合よりも大きくなっている。以上より、第１段階から第２段階までの時間をキャビティ２３の固有振動周期Ｔｃの半分、つまりメニスカス（キャビティ）の振動が反転する位相に設定すれば残留振動を確保することができ、第１段階から第２段階までの時間をキャビティ２３の固有振動周期Ｔｃに設定すれば残留振動を弱めることができる。

図１３は、図１２の駆動信号ＣＯＭの保持時間ｔ３を圧電式アクチュエータ２２の固有振動周期Ｔａの０．６倍に保持し、駆動信号ＣＯＭの立上がり時間、即ち第１段階時間ｔ１及び駆動信号ＣＯＭの立下がり時間、即ち第２段階時間ｔ２を、夫々圧電式アクチュエータ２２の固有振動周期Ｔａの０．７倍、等倍、１．３倍に変更したときの残留振動（圧電式アクチュエータ２２の変位）を測定した結果である。なお、圧電式アクチュエータ２２の固有振動周期Ｔａの０．６倍は、即ちキャビティ２３の固有振動周期の約半分、つまりメニスカス（キャビティ）の振動が反転する位相に相当する。同図から明らかなように、第１段階時間ｔ１及び第２段階時間ｔ２を共に圧電式アクチュエータ２２の固有振動周期Ｔａとした場合には、残留振動の振動モードは明らかにキャビティ２３の固有振動周期Ｔｃとなっている。一方、第１段階時間ｔ１及び第２段階時間ｔ２を圧電式アクチュエータ２２の固有振動周期Ｔａの０．７倍に設定した場合も、１．３倍に設定した場合も、圧電式アクチュエータ２２の固有振動周期Ｔａを含む振動モードとなっており、キャビティ２３の固有振動周期Ｔｃを検出することが困難である。従って、第１段階時間ｔ１、即ちキャビティ２３の容積を拡大してインクを引き込む時間、及び第２段階時間ｔ２、即ちキャビティ２３の容積を縮小してインクを押し出す（インク滴を吐出する）時間を、共に圧電式アクチュエータ２２の固有振動周期Ｔａ又はその近傍に設定することにより、残留振動に圧電式アクチュエータ２２の固有振動が現れにくくなり、残留振動を的確に検出することが可能となる。

図１４は、第１段階時間ｔ１及び第２段階時間ｔ２を共に圧電式アクチュエータ２２の固有振動周期Ｔａ一定とし、第１段階後、第２段階までの保持時間ｔ３を変更することにより、第１段階開始から第２段階開始までの時間ｔ４をキャビティ２３の固有振動周期Ｔｃ以下の領域で種々に変更し、そのとき検出された残留振動の振動周期に発生順に番号を附し、その番号を残留振動の振幅に合わせてプロットしたものである。同図では、第１段階開始から第２段階開始までの時間ｔ４をキャビティ２３の固有振動周期Ｔｃの０．７倍にしたとき、振動周期番号が９まで安定した残留振動が検出されている。これに対し、第１段階開始から第２段階開始までの時間ｔ４をキャビティ２３の固有振動周期Ｔｃの０．７５倍以上にすると、残留振動の振幅が小さくなり、キャビティ２３の固有振動周期Ｔｃになるほど減衰が大きくなる。一方、第１段階開始から第２段階開始までの時間ｔ４がキャビティ２３の固有振動周期Ｔｃの０．４倍以上の領域では、残留振動の振幅は比較的安定している。また、図１５は、図１４の残留振動検出結果を、波形として示したものである。同図から明らかなように、第１段階開始から第２段階開始までの時間ｔ４をキャビティ２３の固有振動周期Ｔｃの０．７倍にしたとき、最も安定した残留振動が確保されている。以上より、第１段階開始から第２段階開始までの時間ｔ４をキャビティ２３の固有振動周期Ｔｃの０．４倍以上０．８倍以下、好ましくは０．６５倍以上０．７５倍以下に設定することにより、キャビティ２３の固有振動が確実に打ち消されにくくなり、その結果、残留振動を確実に確保することができる。

更に、安定した残留振動を確保するための方法として、前述した残留振動確保のための駆動信号ＣＯＭを複数組み合わせて印加した場合について図１６にシミュレートしてみた。圧電式アクチュエータ２２は、前述と同じ積層型圧電式アクチュエータである。図に太い線で示す波形は、先の駆動信号立下がり後から次の駆動信号立上がりまでの時間ｔ６を約キャビティ２３の固有振動周期Ｔｃとした場合のものであり、図に細い線で示す波形は、先の駆動信号立下がり後から次の駆動信号立上がりまでの時間ｔ７をキャビティ２３の固有振動周期Ｔｃの約１．４倍とした場合のものである。なお、駆動波形ＣＯＭの第１段階時間ｔ１及び第２段階時間ｔ２は圧電式アクチュエータ２２の固有振動周期Ｔａ、第１段階開始から第２段階開始までの時間ｔ４はキャビティ２３の固有振動周期Ｔｃの０．７倍にした。

先の駆動信号立下がり後から次の駆動信号立上がりまでの時間ｔ６を約キャビティ２３の固有振動周期Ｔｃとした場合には、先の駆動信号ＣＯＭの印加直後から、メニスカス（インク）がキャビティ２３内に引き込まれ、その振幅がインク滴吐出方向で最大となる付近で、次の駆動信号ＣＯＭが印加される。このため、メニスカスが再びキャビティ２３内に引き込まれる位相に一致して次の駆動信号ＣＯＭの第１段階が開始されるので、振動が増幅される。一方、先の駆動信号立下がり後から次の駆動信号立上がりまでの時間ｔ６を約キャビティ２３の固有振動周期Ｔｃとした場合には、先の駆動信号ＣＯＭ後、メニスカスが再びキャビティ２３内に引き込まれる位相から遅れて、次の駆動信号ＣＯＭの第１段階が開始されるので、メニスカスの振幅が小さく、吐出速度が遅くなってインク滴が吐出されていない。従って、圧電式アクチュエータ２２の変位、即ち検出された残留振動は、先の駆動信号立下がり後から次の駆動信号立上がりまでの時間ｔ６を約キャビティ２３の固有振動周期Ｔｃとした場合の方が、先の駆動信号立下がり後から次の駆動信号立上がりまでの時間ｔ６を約キャビティ２３の固有振動周期Ｔｃとした場合よりも、ΔＶｐだけ大きく表れる結果となった。

以上から、１回の残留振動を検出するために、２つ以上の駆動信号ＣＯＭを出力することにより、先の駆動信号ＣＯＭによる残留振動を次の駆動信号ＣＯＭによって増幅することが可能となり、その結果、先の駆動信号ＣＯＭによる残留振動を確実に検出することが可能となる。また、先の駆動信号ＣＯＭの出力後、メニスカスの振動がキャビティ２３内方向に引き込まれ次いでインク滴吐出方向で最大となるとき又はその近傍で、第１段階、つまりメニスカスの振動がキャビティ２３内方向に引き込まれる次の駆動信号ＣＯＭを出力することにより、先の駆動信号ＣＯＭによる残留振動を次の駆動信号ＣＯＭによって確実に増幅することが可能となる。

図１７は、第１段階時間ｔ１及び第２段階時間ｔ２を共に圧電式アクチュエータ２２の固有振動周期Ｔａ一定とし、且つ第１段階開始から第２段階開始までの時間ｔ４をキャビティ２３の固有振動周期Ｔｃの０．７倍一定とし、先の駆動信号立下がり後から次の駆動信号立上がりまでの時間ｔ６を種々に変更し、そのとき検出された残留振動の振動周期に発生順に番号を附し、その番号を残留振動の振幅に合わせてプロットしたものである。同図では、先の駆動信号立下がり後から次の駆動信号立上がりまでの時間ｔ６をキャビティ２３の固有振動周期Ｔｃの０．９倍、等倍、１．１倍にしたとき、振動周期番号が９まで安定した残留振動が検出されている。これに対し、先の駆動信号立下がり後から次の駆動信号立上がりまでの時間ｔ６をキャビティ２３の固有振動周期Ｔｃの１．３倍としたときには、著しく減衰している。また、先の駆動信号立下がり後から次の駆動信号立上がりまでの時間ｔ６をキャビティ２３の固有振動周期Ｔｃの１．３倍としたときには、周期番号４で残留振動の振幅が急激に小さくなっている。また、図１８は、図１７の残留振動検出結果を、波形として示したものである。同図から明らかなように、先の駆動信号立下がり後から次の駆動信号立上がりまでの時間ｔ６をキャビティ２３の固有振動周期Ｔｃにしたとき、最も安定した残留振動が確保されている。以上より、先の駆動信号立下がり後から次の駆動信号立上がりまでの時間ｔ６をキャビティ２３の固有振動周期Ｔｃの０．９倍以上１．１倍以下とすることにより、先の駆動信号ＣＯＭによる残留振動を次の駆動信号ＣＯＭによって確実に増幅することが可能となる。

なお、前記各実施形態では、所謂マルチパス型インクジェットプリンタを対象として本発明のインクジェットプリンタのヘッド駆動装置を適用した例についてのみ詳述したが、本発明のインクジェットプリンタのヘッド駆動装置は、ラインヘッド型プリンタを始めとして、あらゆるタイプのインクジェットプリンタを対象として適用可能である。

本発明のインクジェットプリンタのヘッド駆動装置の一実施形態を示すインクジェットプリンタの平面図である。 図１のインクジェットプリンタのインクジェットヘッドの概略構成図である。 図２のインクジェットヘッドのノズルの説明図である。 図１のインクジェットプリンタに設けられた制御装置のブロック図である。 図４の駆動信号発生回路のブロック図である。 図５の波形メモリの説明図である。 駆動信号を圧電式アクチュエータに接続する選択部のブロック図である。 駆動信号生成の説明図である。 残留振動の説明図である。 残留振動検出手段のブロック図である。 インクジェットヘッドの等価回路である。 残留振動の説明図である。 残留振動の説明図である。 残留振動の振幅の説明図である。 残留振動の説明図である。 残留振動の説明図である。 残留振動の振幅の説明図である。 残留振動の振幅の説明図である。

符号の説明

１はインクジェットプリンタ、１５は残留振動検出手段、１６は交流増幅器、１７は比較器、２０はインクジェットヘッド、２１は振動板、２２は圧電式アクチュエータ、２３はキャビティ、２４はノズル、６２は制御部、７０は駆動信号発生回路

Claims (6)

1. インク滴を吐出する複数のノズルと、各ノズルに夫々連通する圧力室と、各圧力室に対応して設けられ且つ圧電素子で構成されるアクチュエータとを備えたインクジェットプリンタのノズルヘッドに対し、前記ノズルからインク滴を吐出するために前記アクチュエータに駆動信号を出力する駆動手段と、前記駆動信号による圧力室内の圧力変化発生後の残留振動を、前記アクチュエータを構成する圧電素子の起電力の変化として検出する残留振動検出手段とを備え、前記駆動手段は、前記駆動信号に、圧力室の容積を拡大してインクを引き込む第１段階と、圧力室の容積を縮小してインク滴を吐出する第２段階とを設けるものとし、且つ前記第１段階で生じるインク充満状態での圧力室の固有振動が反転する位相に合わせて第２段階を設定することを特徴とするインクジェットプリンタのヘッド駆動装置。
2. 前記第１段階から第２段階に切替えるまでの時間を、前記インク充満状態での圧力室の固有振動周期の０．４倍以上０．８倍以下としたことを特徴とする請求項１に記載のインクジェットプリンタのヘッド駆動装置。
3. 前記駆動手段は、前記残留振動検出手段で１回の残留振動を検出するために、２つ以上の駆動信号を出力することを特徴とする請求項１又は２に記載のインクジェットプリンタのヘッド駆動装置。
4. 前記駆動手段は、先の駆動信号の出力後、メニスカスの振動が圧力室内方向に引き込まれ次いでインク滴吐出方向で最大となるとき又はその近傍で、前記第１段階となる次の駆動信号を出力することを特徴とする請求項３に記載のインクジェットプリンタのヘッド駆動装置。
5. 先の駆動信号の出力から次の駆動信号の出力までの時間を、前記アクチュエータを構成する圧電素子の固有振動周期の０．９倍以上１．１倍以下としたことを特徴とする請求項３又は４に記載のインクジェットプリンタのヘッド駆動装置。
6. 前記インク充満状態での圧力室の固有振動周期と前記アクチュエータを構成する圧電素子の固有振動周期とが異なる場合、前記第１段階の時間及び第２段階の時間を、前記圧電素子の固有振動周期又はその近傍に設定することを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載のインクジェットプリンタのヘッド駆動装置。
   

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