JP2006231882A - 画像形成装置及び液体吐出状態判定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 短時間でインク吐出状態を判定することでき、かつ生産能力の低下を抑制する。
【解決手段】 インクジェットプリンタ１０に吐出状態の良否を判定するための回路を組み込み、かつ、印字期間以外であり、かつ印字には必要不可欠な時間帯に、検知信号を出力することで、生産能力を低下することなく、随時、主として記録ヘッド３６の圧力室４６に混入する気泡に起因するインク不吐出状態を監視することができる。また、記録ヘッド３６を駆動するときに発生する電気系アドミッタンスと機械系アドミッタンスの内、機械系アドミッタンスのみを抽出することで、圧力室４６の気泡混入による僅かな負荷変動を顕著とし、これをスペクトル分析することで、共振周波数の変動として表すことができるため、吐出状態の良否の判定を迅速かつ確実に行うことができる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、複数配列された圧電素子群を画像データに基づいて、スイッチ素子を選択的にオン・オフ制御することによって圧力室内に振動波を発生させ、供給路から前記圧力室へ液体を引き込み、かつ前記圧力室の液体をノズルから吐出し、印字する圧電型の記録ヘッドを備え、この記録ヘッドを記録媒体搬送路に対して対峙させ、前記記録ヘッドと前記記録媒体とを相対的に移動させることで、前記記録媒体上に画像を形成する画像形成装置、並びにこの画像形成装置に用いられ、圧力室内の容積変動に起因する液体吐出状態の良否を判定する液体吐出状態判定方法に関するものである。

なお、本発明において、制動容量とは、圧電素子を駆動するときの駆動回路の両極間に発生する静電容量を示す。また、機械系負荷とは、圧電素子が超音波振動することから音響系負荷とも言い、主として圧力室内の圧力に等価となる静電容量を示す。

近年、インク吐出口からインクを吐出する、いわゆるインクジェットプリンタは、小型で、安価である等の特徴から、多くの画像形成処理のエンジンとして用いられている。これらインクジェットプリンタの中でも、圧電素子の変形を利用してインクを吐出させるピエゾインクジェット方式等が高解像度、高速印字性などの観点から多く利用されている。

ピエゾ素子等の圧電素子の振動エネルギーを利用するインクジェットプリンタは、インク流路に設けられた圧電素子を画像情報に応じて振動させ、この圧電素子の歪みによってインク滴を形成する。圧電素子にかかる電圧の波形を制御することで、インク吐出口のメニスカスや吐出後のインクの再供給を制御することが可能であるため、高い周波数での駆動（インク吐出）と、インク滴の量を変化させた階調記録が可能となる。

このようなインクジェットプリンタの動作では、圧力室へノズルから気泡が入り込んだり、ノズル表面に付着したインクが乾燥したり、粘度が上昇することにより不吐出が発生する。通常これを未然に防止するために、ノズル表面を頻繁に吸引したり、ワイプ等のメンテナンスを行うため、多くの時間と多くのインクの浪費を招く。また、メンテナンスが完全でないと、ドット抜けとなり、印刷物の品質を損なう。

そこで、不吐出ノズルを検出して、不吐出ノズル以外のノズルを使用して印刷を行うことが考えられる。

不吐出ノズルの検出方法としては、例えば、特許文献１や特許文献２に記載の技術が提案されている。特許文献１、２に記載の技術では、圧電素子の共振点の変化から不吐出ノズルを検出することが提案されている。詳細には、周波数を徐々に変化させて圧電素子の共振点を検出している。

この他に、圧電素子をインク吐出の駆動源としていない場合の不吐出ノズルの検出方法として特許文献３に記載の技術などが提案されている。
特開２０００−３５５１００公報 特開２０００−３１８１８３公報 特開２００３−１１８０９３公報

しかしながら、従来の特許文献１や特許文献２に記載の技術では、周波数を徐々に変化させて圧電素子の共振周波数を検出しているため、共振点の検出に時間が掛かってしまう、という問題がある。

また、圧電素子をインク吐出の駆動源とした記録ヘッドを使用する時には、気泡流入やノズル面へのインク付着による状態変化を検出するために、記録ヘッドの電気系アドミッタンスの影響を排除した、圧電素子、圧力室、インク供給路、及びノズルから構成される記録ヘッドの機械系アドミッタンスの共振周波数を検出する必要があるが、特許文献１や特許文献２に記載の技術では、圧電素子の共振周波数を検出しているため、不吐出ノズルの検出精度が低下する、という問題がある。

また、記録ヘッドの機械系アドミッタンスの共振周波数を検出しようとした場合に、ＳＮ比が低いため共振周波数の検出が難しい、という問題がある。

本発明は上記事実を考慮し、短時間で液体吐出状態を判定することでき、かつ生産能力の低下を抑制することができる画像形成装置及び吐出状態判定方法を得ることが目的である。

第１の発明は、複数配列された圧電素子群を画像データに基づいて、スイッチ素子を選択的にオン・オフ制御することによって圧力室内に振動波を発生させ、供給路から前記圧力室へ液体を引き込み、かつ前記圧力室の液体をノズルから吐出し、印字する圧電型の記録ヘッドを備え、この記録ヘッドを記録媒体搬送路に対して対峙させ、前記記録ヘッドと前記記録媒体とを相対的に移動させることで、前記記録媒体上に画像を形成する画像形成装置であって、前記圧電素子を所定の電圧の検知信号に基づいて駆動させた時に、圧力室の圧力変動に等価となる負荷に対応して出力する電圧に基づいて、前記ノズルからの吐出状態を判定するノズル吐出状態判定手段と、前記ノズル吐出状態判定手段による判定を、前記記録ヘッドによる前記記録媒体への印字期間外に実行する吐出状態判定実行制御手段と、を有している。

第１の発明によれば、スイッチ素子がオンされると、選択的に圧電素子が駆動する。圧電素子が駆動すると、当該圧電素子に対応する圧力室内に振動波（圧力波）が発生し、この圧力室内に供給路を介して液体が引き込まれ、かつノズルから圧力室内の液体が吐出される。この吐出された液体により、記録ヘッドと対峙し、かつ相対移動する記録媒体上に印字される。

上記構成の画像形成装置において、圧力室に気泡が発生すると圧力変動により、ノズルからの液体の吐出不良が発生する。このため、吐出状態判定実行制御手段では、記録媒体への印字期間外にノズル吐出状態判定手段を制御し、ノズル吐出状態の判定を実行する。

ノズル吐出状態の判定は、圧電素子の駆動時に圧力室の圧力変動に対して等価となる負荷に対応して所定の電圧が出力される。この出力電圧に基づいてノズルからの吐出状態を判定する。この圧力室の圧力変動と等価となる負荷とは、機械的負荷に相当し、静電容量（キャパシタンス）で表現することができる。

また、印字期間外とは、画像形成装置の印字方式によって様々であるが（ＦＷＡ（Full Width Array）やＰＷＡ（Partial Width Array）等）、例えば、ＦＷＡ方式であれば、記録媒体の改ページのタイミングとなり、ＰＷＡ方式であれば、走査方向を転換するときの加減速タイミングとなる。もちろん、ＰＷＡ方式において、改ページのタイミングとしてもよい。

このように、印字期間外であり、印字するために必要不可欠な期間に吐出状態の判定を実行することで、生産能力を低下することがない。

また、第１の発明において、前記ノズル吐出状態判定手段が、前記圧電素子と前記スイッチ素子のオン抵抗とが直列接続された第１の配線と、圧電素子の制動容量に等価のダミー容量と前記オン抵抗に等価のダミー抵抗とが直列接続された第２の配線と、が並列接続され、共通の両端に所定の電圧の検知信号を印加することによって、前記第１の配線における圧電素子とオン抵抗との間、前記第２の配線におけるダミー容量とダミー抵抗との間、の電位差を出力電圧とするブリッジ回路を備え、
この出力電圧に基づいて前記振動波のスペクトル分析を行い、共振周波数の変位によって吐出状態を判定することを特徴としている。

例えば、検流計（ガルバノメータ）では、微小電流を検出するために負荷（抵抗）をブリッジ状に配線し（ブリッジ回路）しており、この原理を利用して、圧電素子とオン抵抗（第１の配線）、ダミー容量とダミー抵抗（第２の配線）、を用いてブリッジ回路を構成する。

この結果、第１の配線と第２の配線の共通の両端に所定の電圧の検知信号を印加することで、制動容量分が相殺され、機械系負荷分の変動に応じた電位差を検出することができる。

なお、前記電位差を差動増幅器等で増幅し、かつフィルタを介してノイズを除去することが好ましく、その後、所定の解析（高速フーリエ変換や高速ウェーブレット変換等によるスペクトル分析）を実行することで共振周波数を求め、この共振周波数の変位によって圧力室内の圧力変動を把握し、所定のしきい値に基づいてノズルの吐出状態の良否の判定を行うことができる。

第２の発明は、複数配列された圧電素子群を画像データに基づいて、スイッチ素子を選択的にオン・オフ制御することによって圧力室内に振動波を発生させ、供給路から前記圧力室へ液体を引き込み、かつ前記圧力室の液体をノズルから吐出し、印字する圧電型の記録ヘッドを備え、この記録ヘッドを記録媒体搬送路に対して対峙させ、前記記録ヘッドと前記記録媒体とを相対的に移動させることで、前記記録媒体上に画像を形成する画像形成装置であって、前記スイッチ素子のオン抵抗、及び圧電素子の駆動時に発生する等価的に並列接続関係にある制動容量及び機械系負荷を直列に接続した第１の配線と、前記スイッチ素子のオン抵抗に等価のダミー抵抗、及び前記圧電素子の駆動時に発生する制動容量に等価のダミー容量を直列に接続した第２の配線と、を駆動回路に対して並列接続すると共に、前記第１の配線と前記第２の配線におけるそれぞれの共通の両端に所定の検知信号を印加し、前記第１の配線における、オン抵抗と制動容量及び機械系負荷との間、並びにダミー抵抗とダミー容量との間に発生する電位差に基づいて、前記機械系負荷の変動に相当する圧力室内の圧力変化を検出する検出回路と、前記検出回路によって得られた電位差を解析して、ノズルからの吐出状態を判定する判定手段と、前記判定手段によって電位差を検出する圧電素子を選択する選択手段と、前記記録ヘッドによる前記記録媒体への印字期間外に前記選択手段による圧電素子の選択を実行し、前記検出回路による圧力変化を検出し、かつ判定手段による吐出状態の判定を実行する吐出状態判定実行制御手段と、を有している。

第２の発明によれば、スイッチ素子のオン抵抗、及び圧電素子の駆動時に発生する等価的に並列接続関係にある制動容量及び機械系負荷を直列に接続した第１の配線と、前記スイッチ素子のオン抵抗に等価のダミー抵抗、及び前記圧電素子の駆動時に発生する制動容量に等価のダミー容量を直列に接続した第２の配線と、を駆動回路に対して並列接続すると共に、前記第１の配線と前記第２の配線におけるそれぞれの共通の両端に所定の電圧の検知信号を印加し、前記第１の配線における、オン抵抗と制動容量及び機械系負荷との間、並びにダミー抵抗とダミー容量との間に電位差を発生させる。この電位差が前記機械系負荷の変動に相当し、圧力室内の圧力変化となる。

判定手段では、検出回路によって得られた電位差を解析して、ノズルからの吐出状態を判定する。

この検出回路及び判定手段によるノズルからの吐出状態を判定する圧電素子は、選択手段によって順次選択される。

ここで、吐出状態判定実行制御手段では、記録ヘッドによる前記記録媒体への印字期間外に前記選択手段による圧電素子の選択を実行し、前記検出回路による圧力変化を検出し、かつ判定手段による吐出状態の判定を実行する。

これにより、印字作業に支障をきたすことがなく、また、別途判定のための期間を設ける必要がないため、生産能力が低下することがない。

また、前記第１の発明又は第２の発明において、前記検知信号が、前記圧力室内の粘性を調整するために生成された粘性調整信号を兼ねることを特徴としている。

すなわち、吐出状態の判定と共に圧力室内の粘性を適正な状態とすることができる。

第３の発明は、複数配列された圧電素子群を画像データに基づいて、スイッチ素子を選択的にオン・オフ制御することによって圧力室内に振動波を発生させ、供給路から前記圧力室へ液体を引き込み、かつ前記圧力室の液体をノズルから吐出し、印字する圧電型の記録ヘッドを備え、この記録ヘッドを記録媒体搬送路に対して対峙させ、前記記録ヘッドと前記記録媒体とを相対的に移動させることで、前記記録媒体上に画像を形成する画像形成装置に用いられ、圧力室内の容積変動に起因する液体吐出状態の良否を判定する液体吐出状態判定方法であって、前記画像データに基づく印字期間外に、所定の吐出状態判定用の検知信号を用いて、圧電素子を駆動させることで、圧力室内に液体の吐出には至らない振動波を発生させ、当該駆動時に発生する機械系負荷変動を抽出し、抽出した機械系負荷の少なくとも位相のずれを解析することで、液体の吐出状態を判定することを特徴としている。

また、第３の発明において、前記検知信号が、前記圧力室内の粘性を調整するために生成された粘性調整信号を兼ねることを特徴としている。

第３の発明によれば、画像データに基づく印字期間外に吐出状態判定用の検知信号を出力する。この検知信号は、例えば、圧力室内の液体の粘度を安定させるために、現在でも実行されている粘性調整波形を利用することができる。この粘性調整波形は、圧力室内の液体を振動させるが、ノズルからの吐出力がない。また、単発的な粘性調整波形は、圧力室内の振動は、徐々に減衰していく振動波形となる。

このような検知信号に基づいて、圧電素子を駆動させると、上記の如く、圧力室内で振動が発生する。この振動中の機械系負荷変動を抽出する。

機械系負荷変動は、例えば、振動の共振周波数の変化として表現され、抽出した機械系負荷の少なくとも共振周波数の変位量に基づいて、液体の吐出状態を判定することができる。

また、吐出状態の判定時期は、少なくとも印字期間以外であり、印字を実行する場合に必ず必要なインタバルに上記判定を行うことで、生産能力の低下を防止することができる。

さらに、既存の粘性調整波形（粘度安定のための信号）を用いることで、新たに吐出状態判定のための信号を生成する必要もない。

以上説明した如く本発明では、短時間で液体吐出状態を判定することでき、かつ生産能力の低下を抑制することができるという優れた効果を有する。

（第１の実施の形態）
「インクジェットプリンタの全体構成」
図１には、第１の実施の形態に係るＰＷＡ方式のインクジェットプリンタ１０の概略構成が示されている。

なお、第１の実施の形態においては、記録媒体としての記録紙Ｐの搬送方向を副走査方向（図１の矢印Ｓ参照）、当該副走査方向と直交する方向を主走査方向（図１の矢印Ｍ参照）とする。

インクジェットプリンタ１０は、ブラック、イエロー、マゼンタ、シアンの各インクジェット記録ユニット１２を搭載するキャリッジ１４を備えている。

このキャリッジ１４の記録紙Ｐの搬送方向上流側には、一対のブラケット１６が突設されており、このブラケット１６には円形状の開口部１６Ａが穿設されている。この開口部１６Ａには、主走査方向に架設されたシャフト１８（図１参照）が挿通されている。

図１に示される如く、主走査方向の両端部には、主走査機構２０を構成する駆動プーリー２２と従動プーリー２４とがそれぞれ配設されている。この駆動プーリー２２と従動プーリー２４には、タイミングベルト２６が巻回されており、タイミングベルト２６の一部に前記キャリッジ１４が固定されている。これにより、キャリッジ１４は主走査方向に往復移動可能となる。

インクジェットプリンタ１０には、搬送ローラ２８及び排出ローラ３０からな副走査機構３２が設けられている。この副走査機構３２は、画像印刷（印字）前の記録紙Ｐを束にして収容する給紙トレイ３４から１枚ずつ給紙された記録紙Ｐを所定のピッチ或いは連続的に定速度で副走査方向へ搬送する。

図２に示される如く、各色のインクジェット記録ユニット１２は、記録ヘッド３６と、この記録ヘッド３６へインクを供給するインクカートリッジ３８とが一体に構成されたものであり、記録ヘッド３６の下面に形成された複数のノズル４０（図３参照）が、記録紙Ｐと対峙するようにキャリッジ１４上に搭載されている。

従って、記録ヘッド３６が主走査機構２０（図１参照）によって主走査方向に移動しながら、記録紙Ｐに対して、画像データに基づいて、ノズル４０から選択的にインク滴を吐出することにより、所定のバンド領域ＢＥに対して画像が形成（印字）される。

主走査方向の１回の移動が終了すると、記録紙Ｐは、副走査機構３２（図１参照）によって副走査方向へ所定ピッチ搬送され、再度インクジェット記録ユニット１２が主走査方向に移動しながら、次のバンド領域に対して画像を形成（印字）する。これを繰り返すことで、記録紙Ｐには画像データに基づく全体画像が形成されることになる。

「記録ヘッドの構成」
記録ヘッド３６は、インクタンク４１、供給路４４、圧力室４６、ノズル４０、及び圧電素子４２を有している。

インクタンク４１には、前述のインクカーリッジ３８（図２参照）からのインクが蓄えられ、インクタンク４１は、供給路４４を介して圧力室４６と連通し、さらに圧力室４６はノズル４０を介して外部と連通している。

圧力室の４６の一部の壁面（図３の下面）は振動板４６Ａからなり、該振動板４６Ａに圧電素子４２が取り付けられており、圧電素子４２によって振動板４６Ａを振動させることで、圧力室４６内のインクに圧力波が発生する。すなわち、圧電素子４２の振動によって発生する圧力波によって、インクタンク４１に蓄えられたインクが供給路４４、圧力室４６を介してノズル４０から吐出されるようになっている。

「駆動回路」
図４には、インクジェットプリンタ１０における記録ヘッド３６の駆動回路１００が示されている。

この駆動回路１００には、記録ヘッド３６の圧電素子４２を選択的に駆動させるという本来の機能に加え、前記ノズル４０からのインクの吐出状態を判定する回路が組み込まれている。

図４に示すように、駆動回路１００は、交流電源１０２の一端が駆動信号生成部１０４の入力端に接続されている。なお、交流電源２２の他端はアースされている。

駆動信号生成部１０４に出力端は、駆動信号出力線１０６によってそれぞれの圧電素子４２に直列接続された複数のスイッチング素子１０８の一端に接続されている。

このスイッチング素子１０８は、機能的にスイッチ部１０８Ａと、このスイッチ部１０８Ａのオン時に発生する抵抗Ｒｄとで、等価的に表現することができる。

スイッチング素子１０８の他端には、それぞれ圧電素子４２の端子の一方に接続されている。この圧電素子４２の他方の端子はアースされている。

これにより、前記スイッチング素子１０８に対して、画像データに基づくオン・オフ信号（印字ノズル選択信号）をそれぞれ出力することで、オンとなったスイッチング素子１０８に接続されている圧電素子４２が駆動して、記録ヘッド３６内の圧力室４６に振動波を発生し、インクをノズル４０から吐出させることができる。

上記が駆動回路１００の本来の機能を示す基本回路系であり、第１の実施の形態では、この基本回路系に対して、以下のような吐出状態検出回路系が組み込まれている。

すなわち、各スイッチング素子１０８と圧電素子４２との間からは、それぞれ分岐線１１０の一端が接続されており、それぞれ判定選別スイッチ１１２の一端に接続されている。

複数の判定選別スイッチ１１２の他端は互いに短絡されている。この短絡された配線は、出力信号線１１４として抵抗１１６を介して差動増幅器１１８のマイナス側入力端１１８Ａに接続されている。

一方、前記駆動信号生成部１０４の出力端と各スイッチング素子１０８とを接続する駆動信号出力線１０６には、分岐線１２０の一端が接続されている。この分岐線１２０には、抵抗ＲｄｄとコンデンサＣｄｄとが直列接続され、他端部はアースされている。

抵抗Ｒｄｄは、前記スイッチング素子１０８の抵抗Ｒｄと同一の抵抗値であり、この抵抗Ｒｄのダミー抵抗として機能し、また、コンデンサＣｄｄは、記録ヘッド３６を駆動するときに発生する制動容量として表現されるコンデンサＣｄと同一の静電容量であり、このコンデンサＣｄのダミーコンデンサとして機能する（詳細後述）。

抵抗ＲｄｄとコンデンサＣｄｄとの間からは、出力信号線１２２の一端が接続され、他端部は抵抗１２４を介して前記差動増幅器１１８のプラス側入力端１１８Ｂに接続されている。

なお、出力信号線１１４、１２２とアースとのには、それぞれ分圧して差動増幅器１１８に入力する電圧を調整するための抵抗１２６、１２８が介在されている。

ここで、前記記録ヘッド３６を駆動する際に駆動信号生成部１０４からの駆動信号によって、制動容量と機械系負荷とが発生する。制動容量とは、駆動信号を出力するときに電気回路内で発生するキャパシタンス（Ｃ成分）である。また、機械系負荷とは、圧電素子４２自体に含まれる抵抗、リアクタンス、キャパシタンス成分（ＲＬＣ成分）、記録ヘッド３６の供給路４４、圧力室４６、ノズル４０に発生する吐出状態（ＲＬＣ成分）である。

すなわち、記録ヘッド３６に対して駆動信号を供給するとき、図５（Ａ）に示すような等価回路で表すことができる。

この等価回路では、電気系アドミッタンスＹｅ（コンデンサＣｄ）と、機械系アドミッタンスＹａ(s)（圧電素子４２、供給路４４、圧力室４６、ノズル４０）とに分けることができる。

圧電素子４２は直列に接続されたＬ０、Ｒ０、Ｃ０で表され、供給路４４は直列接続されたＬ１、Ｒ１で表され、ノズル４０は直列接続されたＬ２、Ｒ２で表され、圧力室４６はＣ１で表されている。

なお、角周波数をω、虚数単位をｊとするとき、電気系アドミッタンスＹｅと機械系アドミッタンスＹａは、｜Ｙｅ（ｊω）｜＞＞｜Ｙａ（ｊω）｜である（実際には、電気系アドミッタンスＹｅと機械系アドミッタンスＹａは約１：３０程度である）。また、Ｒｄ＜＜｜Ｚａ（ｊω）｜とする。

ここで、上記等価回路は、図５（Ｂ）に示す電気系アドミッタンスＹｅ（すなわち、Ｃｄ）と機械系アドミッタンスＹａの並列回路とみなすことができる。

上記図５（Ｂ）のアドミッタンス等価回路に基づき、前述した駆動回路１００（図４参照）に組み込まれた吐出状態検出回路系のみを示したのが、図６である。
「吐出状態判定回路」
図６に示される如く、各記録ヘッド３６の電気系アドミッタンスＹｅと機械系アドミッタンスＹａの並列回路と、スイッチング素子１０８（図４参照）の抵抗Ｒｄとを直列に接続した第１の配線１３０と、電気系アドミッタンスＹｅと同等の負荷（キャパシタンス）を持つダミーコンデンサＣｄｄと、前記抵抗Ｒｄと同等の抵抗値を持つダミー抵抗Ｒｄｄとを直列に接続した第２の配線１３２と、によってブリッジ回路が構成されている。

ブリッジ回路の一端、すなわち、第１の配線１３０と第２の配線１３２とが短絡した一端には、前記駆動信号生成部１０４の出力端に接続されている。また、第１の配線１３０と第２の配線１３２とが短絡した他端は、アースされている。なお、図６では、吐出状態検出回路系を独立させて示すべく、前記他端と交流電源１０２の一端とを接続した状態で記載した。この交流電源１０２の起電力はＶｓである。

駆動信号生成部１０４からは、単発の検知信号が出力される（図７参照）。この検知信号は、現在でも適用されている粘性調整波形と同一の波形である。粘性調整波形は、記録ヘッド３６の圧力室４６内のインクの粘度を調整するために、印字期間以外に出力される信号であり、第１の実施の形態では、この粘性調整波形を検知信号として適用している。なお、この粘性調整波形は、圧力室４６内に振動を付与するが、ノズル４０からインクが吐出しない程度の電圧となっている。

このような回路構成において、抵抗Ｒｄ間の電位を差動増幅器１１８のマイナス側入力端１１８Ａに入力し（入力電圧Ｖ１）、ダミー抵抗Ｒｄｄ間の電位を差動増幅器１１８のプラス側入力端１１８Ｂに入力（入力電圧Ｖ２）するように配線すると、差動増幅器１１８の出力電圧Ｖ０は、Ｖ１−Ｖ２で表すことができる。この電位差Ｖ０は、機械系アドミッタンスにかかる電流Ｉ11に相当するため、Ｙａ×Ｒｄ×Ｖｓとほぼ同等となる。

言い換えれば、電気系アドミッタンスの影響がダミーコンデンサＣｄｄによって相殺され、機械系アドミッタンス（圧力室４６の変動）に比例して電圧変動することになり、これが差動増幅器１１８の出力電圧となる。

図７に示される如く、駆動信号生成部１０４から検知信号（台形波）が出力されると、差動増幅器１１８からは、徐々に減衰する振動波形が出力される。設計値上では、圧力室４６が適正である（気泡等が存在しない）場合は共振周波数が７０ＫＨｚであり、図７では、これを基準とした場合と、＋１０％及び＋２０％の共振周波数の出力波形を併せて記載した。

圧力室４６では、気泡の混入があると共振周波数が低くなる傾向にあり、＋２０％になると、ノズル４０からインクが吐出しない（不吐出）状況に陥ることが分かっている。図８は、上記のような共振周波数の変動を解析するための制御ブロック図が示されている。

「吐出状態判定制御系」
図８に示される如く、検知信号（予備波形）の入力によって駆動回路１００を用いて、記録ヘッド３６を駆動させると、アドミッタンス抽出回路１３４（図６の吐出状態検出回路系）における差動増幅器１１８から出力電圧が出力される。

この出力電圧は、フィルタ１３６によってノイズが除去された後、Ａ／Ｄコンバータ１３８によってＡ／Ｄ変換された後、ＣＰＵ１４０（コントローラ）に入力されるようになっている。

このＣＰＵ１４０には、予めスペクトル分析のためのソフトウェアがプログラミングされており、所定のスペクトル分析によって共振周波数を導き出すようになっている。

なお、スペクトル分析としての手段は、窓関数を用いた高速フーリエ変化、或いは高速ウェーブレット変換等が適用可能である。また、ＣＰＵ１４０は、デジタル信号処理に特化したアーキテクチャを持つデジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）を用いることで、高速演算処理が可能である。

図９は、記録ヘッド３６における電気−機械結合系のアドミッタンスの周波数−位相特性を示す図であり、図１０は、記録ヘッド３６における機械系の周波数−位相特性を示す図である。

記録ヘッド３６のアドミッタンスの周波数−位相特性は、図９の矢印Ａに示すように、電気系アドミッタンス（Ｃｄ）の影響が大きく、圧力室に関する共振はほとんどみられないので、従来では、図９矢印Ｂに示す圧電素子の共振点の変動から間接的に不吐出を検出していた。

第１の実施の形態では、上述したように、差動増幅器１１８の出力電圧Ｖ０を用いることで、ＳＮ比の高い信号を得ることができる。すなわち、図１０に示される如く、記録ヘッド３６の機械系のアドミッタンスを高いＳＮ比で検出することができる。従って、図１０に示す正常吐出時の周波数と不吐出時の周波数の変動から不吐出ノズルを検出することが可能となる。

すなわち、この図１０のような出力を吐出状態検出回路系によって抽出し、スペククトル分析することで、図１１に示される周波数特性を得ることができる。なお、図１１では、縦軸を振幅としているが、第１の実施の形態では、振幅の差を対象とするものではなく、共振周波数（ピーク点）のずれによって、吐出状態の良否判定を行っている。

以下に第１の実施の形態の作用を説明する。

「印字手順」
印字の指示があると、給紙トレイ３４から１枚ずつ給紙された記録紙Ｐを所定のピッチ或いは連続的に定速度で副走査方向へ搬送する。

記録紙Ｐが所定の位置に位置決めされると、記録ヘッド３６が主走査機構２０によって主走査方向に移動しながら、記録紙Ｐに対して、画像データに基づいて、ノズル４０から選択的にインク滴を吐出する。これにより所定のバンド領域ＢＥに対して画像が形成（印字）される。

主走査方向の１回の移動が終了すると、記録紙Ｐは、副走査機構３２によって副走査方向へ所定ピッチ搬送される。なお、第１の実施の形態では、所定ピッチ毎に間欠搬送する構成としてが、前記１回の主走査中も常に定速度で副走査が実行されてもよい。

上記所定ピッチの搬送後は、再度インクジェット記録ユニット１２が主走査方向に移動しながら、次のバンド領域に対して画像を形成（印字）する。

これを繰り返すことで、記録紙Ｐに画像データに基づく全体画像を形成することができる。

上記繰り返しの主走査移動において、必ず、キャリッジ１２の減速、停止、加速が発生する。これは、印字期間外であり、かつ必要不可欠な時間でもある。

画像が形成された記録紙Ｐは、排出ローラ３０によって排出され、１枚の印字が完了する。なお、連続して複数ページの印字を行う場合には、前記排出ローラ３０による記録紙Ｐの排出と同時、或いは排出終了後、給紙トレイ３４から次の記録紙Ｐを給紙する。

（印字（インク吐出））
印字の際には、駆動回路１００において、駆動信号生成部１０４から図１２に示すような駆動信号が出力される。この駆動信号は、複数の台形波あるいは三角波の集合体であり５０乃至５５μsecの周期で出力される。

画像データは、印字ノズル選択信号に変換され、この印字ノズル選択信号によって、スイッチング素子１０８のオンオフを制御する。

スイッチング素子１０８がオンになると、圧電素子４２に電流が流れ、振動を開始する。

この振動は、圧力室の４６の振動板４６Ａへ伝わり、振動板４６Ａが振動することで、圧力室４６内のインクに圧力波が発生する。この圧力波によって、インクタンク４１に蓄えられたインクが供給路４４、圧力室４６を介してノズル４０から吐出される。

「吐出状態判定」
第１の実施の形態では、複数の記録紙Ｐに対して印字を実行しているときの主走査方向の切替インタバル（減速、停止、加速）の期間中に、ノズル４０からのインクの吐出状態の良否を判定している（図１３参照）。特に、圧力室４６内に気泡が混入することによるインクの不吐出を検出することが目的である。

この吐出状態の良否判定のために、駆動回路１００に基本回路系に対して、吐出状態検出回路系が組み込んだ。

図１４は、複数の記録紙Ｐに対しての印字中の主走査方向反転期間中に吐出状態の判定を行うときのタイミングチャートであり、主走査方向反転時に粘性調整兼不吐出検出トリガ信号が出力され、このトリガ信号に基づいて検知信号が出力される。

この結果、駆動回路１００に設けられた判定選別スイッチ１１２が不吐出検出ノズル選択信号に基づいて順次オンしていく。なお、このとき、スイッチング素子１０８のスイッチ部１０８Ａは全てオンとすることで、不吐出検出と共に圧力室４６内の粘性調整が可能となる。

これにより、前記判定選別スイッチ１１２のオンに該当する圧電素子４２からのデータ（差動増幅器１１８からの出力電圧Ｖ０）を収集することができる。

また、次の圧電素子４２からのデータ収集時には、ＣＰＵ１４０（図８参照）において前回収集したデータのデータ処理（スペクトル分析）が実行され、吐出状態の良否の判定がなされる。

このように、複数の圧電素子４２に対して逐次処理を実行することで、前記主走査方向反転期間中に全ての圧電素子４２の吐出状態の良否判定が実行される。

なお、図１５に示される如く、検知信号は台形波に限られず、矩形波であってもよい。

また、第１の実施の形態では、ＰＷＡ方式のインクジェットプリンタ１０を例とり説明したが、ＦＷＡ方式のインクジェットプリンタであっても同様の効果を得ることができる。

「インクジェットプリンタの変形例」
図１６は、ＦＷＡ方式のインクジェットプリンタ１５０の概略構成図が示されており、記録ヘッド２００には、主走査方向全域に亘り圧電素子が配列されている（図１６では、図示省略）。この記録ヘッド１５０は、副走査方向に複数列（図１６では、２列）配列されており、記録紙Ｐが搬送ベルト１５２によって定ピッチ搬送或いは定速度搬送されている状態で、ノズルからインクを吐出し印字していく。このため、１枚の記録紙Ｐの全てを印字する期間に非印字期間がないため、印字終了後、次の記録紙Ｐが搬送ベルト１５２の搬送によって所定位置に位置決め（用紙検出センサ１５４で検出してから所定時間後）されるまでに（図１７の改ページ期間中に）、各ノズルに検知信号を出力し、各ノズルの吐出状態の良否判定を実行する。

以上説明した如く第１の実施の形態では、インクジェットプリンタ１０に吐出状態の良否を判定するための回路を組み込み、かつ、印字期間以外であり、かつ印字には必要不可欠な時間帯に、検知信号を出力することで、生産能力を低下することなく、随時、主として記録ヘッド３６の圧力室４６に混入する気泡に起因するインク不吐出状態を監視することができる。

また、記録ヘッド３６を駆動するときに発生する電気系アドミッタンスと機械系アドミッタンスの内、機械系アドミッタンスのみを抽出することで、圧力室４６の気泡混入による僅かな負荷変動を顕著とし、これをスペクトル分析することで、共振周波数の変動として表すことができるため、吐出状態の良否の判定を迅速かつ確実に行うことができる。

（第２の実施の形態）
以下に本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、この第２の実施の形態において、上記第１の実施の形態と同一構成部分については、同一の符号を付して、その構成の説明を省略する。

第２の実施の形態の特徴は、前記第１の実施の形態で適用した駆動回路としたであることにある。その他の構造的な構成（インクジェットプリンタ１０、記録ヘッド３６、１５２、圧電素子４２等）については同一であるので、説明は省略する。

図１８には、第２の実施の形態に係るデジタル駆動回路２００が示されている。

このデジタル駆動回路２００には、各圧電素子４２に対して１：１でデジタル電圧増幅器（プッシュプルインバータ）２０２が設けられており、駆動電源が供給されている。

各電圧増幅器２０２は、セレクタ２０４によって選択された検知信号発生部２０６からの検知信号、或いは印字波形発生部２０８からの印字波形の何れかが入力されるようになっている。この検知信号、印字波形の選択は、セレクタ２０４に入力される印字ノズル選択信号に基づいてなされるようになっている。

デジタル電圧増幅器２０２の出力端には、それぞれオン抵抗Ｒｄを介して圧電素子４２が接続されている。これにより、検知信号又は印字波形のいずれかによって駆動電源が圧電素子４２に供給され、圧電素子４２を駆動することができる。

ここで、前記オン抵抗Ｒｄと圧電素子４２との間には、それぞれ判定選別スイッチ１１２の一端が接続されている。この判定選別スイッチ１１２の他端は抵抗１１６を介して差動増幅器１１８のマイナス側入力端１１８Ａに接続されている。

一方、デジタル増幅器２０２の１つ（図１８に配列されたデジタル増幅器２０２の最下段）には、検知信号発生部２０６から前記セレクタ２０４を介さないで直接検知信号が入力されている。このデジタル電圧増幅器２０２は、吐出状態判定用のダミー抵抗Ｒｄｄ及びダミーコンデンサＣｄｄを通電するためのものである。

このダミー抵抗ＲｄｄとダミーコンデンサＣｄｄは、抵抗１２４を介して差動増幅器１１８のプラス側入力端１１８Ｂに接続されている。

上記構成により、通常の印字の際には、セレクタ２０４では、印字波形発生部２０８からの信号を選択し、不吐出検出ノズル選択信号によって判定選別スイッチ１１２は全てオフとされ、画像データに基づいて、セレクタ２０４からの出力を制御することによって、印字が実行される。

一方、吐出状態判定時には、印字ノズル選択信号によってセレクタ２０４は、検知信号発生部２０６からの検知信号を選択し、全てのセレクタ２０４から検知信号が出力される。

また、不吐出検出ノズル選択信号によって順次判定選別スイッチ１１２がオンとなる。

これにより、個々の圧電素子４２からの機械系アドミッタンスの変動分に相当する電圧変動を差動増幅器１１８から出力する。

以下は、図８に示すような制御手順によって、スペクトル分析が実行され、吐出状態の良否が判定される。

第１の実施の形態に係り、ＰＷＡ方式のインクジェットプリンタの外観を示す斜視図である。 第１の実施の形態に係り、インクジェットプリンタに設けられたキャリッジの斜視図である。 第１の実施の形態に係り、記録ヘッドの内部構造を示す断面図である。 第１の実施の形態に係り、圧電素子を駆動するための駆動回路図（アナログ）である。 第１の実施の形態に係り、圧電素子を駆動するときに発生する負荷の等価回路図である。 第１の実施の形態に係り、駆動回路に含まれる吐出状態判定回路図である。 第１の実施の形態に係り、検知信号（粘性調整波形）を入力源としたときの振動波特性図である。 第１の実施の形態に係り、吐出状態判定制御ための制御ブロック図である。 第１の実施の形態に係り、電気−機械結合系アドミッタンスの周波数−位相特性図である。 第１の実施の形態に係り、機械系アドミッタンスの周波数−位相特性図である。 第１の実施の形態に係り、差動増幅器からの出力電圧に基づくスペクトル分析結果を示す周波数−振幅特性図である。 第１の実施の形態に係り、圧電素子を駆動して印字するときの印字波形を入力源としたときの振動波特性図である。 第１の実施の形態に係り、ＰＷＡ方式のインクジェトプリンタにおけるキャリッジ動作と駆動信号出力のタイミングチャートである。 第１の実施の形態に係り、インクジェトプリンタの印字動作と、吐出状態判定のためのデータ抽出並びにデータ解析のタイミングチャートである。 第１の実施の形態の変形例に係り、インクジェトプリンタの印字動作と、吐出状態判定のためのデータ抽出並びにデータ解析のタイミングチャートである。 第１の実施の形態の変形例に係り、ＦＷＡ方式のインクジェットプリンタの概略構成図である。 第１の実施の形態の変形例に係り、ＦＷＡ方式のインクジェトプリンタにおけるキャリッジ動作と駆動信号出力のタイミングチャートである。 第２の実施の形態に係り、圧電素子を駆動するための駆動回路図（デジタル）である。

符号の説明

Ｐ 記録紙
１０ インクジェットプリンタ（ＰＷＡ）
１２ インクジェット記録ユニット
１４ キャリッジ
２０ 主走査機構
３２ 副走査機構
３４ 給紙トレイ
３６ 記録ヘッド
４０ ノズル
４１ インクタンク
４２ 圧電素子
４４ 供給路
４６ 圧力室
４６Ａ 振動板
１００ 駆動回路（検出回路）
１０２ 交流電源
１０４ 駆動信号生成部
１０６ 駆動信号出力線
１０８ スイッチング素子（吐出状態判定実行制御手段）
１０８Ａ スイッチ部
１１２ 判定選別スイッチ（吐出状態判定実行制御手段）
１１８ 差動増幅器（検出回路）
１３４ アドミッタンス抽出回路（検出回路）
１３６ フィルタ
１３８ Ａ／Ｄコンバータ
１４０ ＣＰＵ（判定手段）
Ｒｄ 抵抗
Ｃｄ コンデンサ（検出回路）
Ｒｄｄ ダミー抵抗（検出回路）
Ｃｄｄ ダミーコンデンサ（検出回路）
Ｙｅ 電気系アドミッタンス（検出回路）
Ｙａ(s) 機械系アドミッタンス（検出回路）

Claims (6)

1. 複数配列された圧電素子群を画像データに基づいて、スイッチ素子を選択的にオン・オフ制御することによって圧力室内に振動波を発生させ、供給路から前記圧力室へ液体を引き込み、かつ前記圧力室の液体をノズルから吐出し、印字する圧電型の記録ヘッドを備え、この記録ヘッドを記録媒体搬送路に対して対峙させ、前記記録ヘッドと前記記録媒体とを相対的に移動させることで、前記記録媒体上に画像を形成する画像形成装置であって、
   前記圧電素子を所定の検知信号に基づいて駆動させた時に、圧力室の圧力変動に等価となる負荷に対応して出力する信号に基づいて、前記ノズルからの吐出状態を判定するノズル吐出状態判定手段と、
   前記ノズル吐出状態判定手段による判定を、前記記録ヘッドによる前記記録媒体への印字期間外に実行する吐出状態判定実行制御手段と、
   を有する画像形成装置。
2. 前記ノズル吐出状態判定手段が、前記圧電素子と前記スイッチ素子のオン抵抗とが直列接続された第１の配線と、圧電素子の制動容量に等価のダミー容量と前記オン抵抗に等価のダミー抵抗とが直列接続された第２の配線と、が並列接続され、共通の両端に所定の検知信号を印加することによって、前記第１の配線における圧電素子とオン抵抗との間、前記第２の配線におけるダミー容量とダミー抵抗との間、の電位差を出力電圧とするブリッジ回路を備え、
   この出力電圧に基づいて前記振動波のスペクトル分析を行い、共振周波数の変位によって吐出状態を判定することを特徴とする請求項１記載の画像形成装置。
3. 複数配列された圧電素子群を画像データに基づいて、スイッチ素子を選択的にオン・オフ制御することによって圧力室内に振動波を発生させ、供給路から前記圧力室へ液体を引き込み、かつ前記圧力室の液体をノズルから吐出し、印字する圧電型の記録ヘッドを備え、この記録ヘッドを記録媒体搬送路に対して対峙させ、前記記録ヘッドと前記記録媒体とを相対的に移動させることで、前記記録媒体上に画像を形成する画像形成装置であって、
   前記スイッチ素子のオン抵抗、及び圧電素子の駆動時に発生する等価的に並列接続関係にある制動容量及び機械系負荷を直列に接続した第１の配線と、前記スイッチ素子のオン抵抗に等価のダミー抵抗、及び前記圧電素子の駆動時に発生する制動容量に等価のダミー容量を直列に接続した第２の配線と、を駆動回路に対して並列接続すると共に、前記第１の配線と前記第２の配線におけるそれぞれの共通の両端に所定の電圧の検知信号を印加し、前記第１の配線における、オン抵抗と制動容量及び機械系負荷との間、並びにダミー抵抗とダミー容量との間に発生する電位差に基づいて、前記機械系負荷の変動に相当する圧力室内の圧力変化を検出する検出回路と、
   前記検出回路によって得られた電位差を解析して、ノズルからの吐出状態を判定する判定手段と、
   前記判定手段によって電位差を検出する圧電素子を選択する選択手段と、
   前記記録ヘッドによる前記記録媒体への印字期間外に前記選択手段による圧電素子の選択を実行し、前記検出回路による圧力変化を検出し、かつ判定手段による吐出状態の判定を実行する吐出状態判定実行制御手段と、
   を有する画像形成装置。
4. 前記検知信号が、前記圧力室内の粘性を調整するために生成された粘性調整信号を兼ねることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項記載の画像形成装置。
5. 複数配列された圧電素子群を画像データに基づいて、スイッチ素子を選択的にオン・オフ制御することによって圧力室内に振動波を発生させ、供給路から前記圧力室へ液体を引き込み、かつ前記圧力室の液体をノズルから吐出し、印字する圧電型の記録ヘッドを備え、この記録ヘッドを記録媒体搬送路に対して対峙させ、前記記録ヘッドと前記記録媒体とを相対的に移動させることで、前記記録媒体上に画像を形成する画像形成装置に用いられ、圧力室内の容積変動に起因する液体吐出状態の良否を判定する液体吐出状態判定方法であって、
   前記画像データに基づく印字期間外に、所定の吐出状態判定用の検知信号を用いて、圧電素子を駆動させることで、圧力室内に液体の吐出には至らない振動波を発生させ、当該駆動時に発生する機械系負荷変動を抽出し、抽出した機械系負荷の少なくとも位相のずれを解析することで、液体の吐出状態を判定することを特徴とする液体吐出状態判定方法。
6. 前記検知信号が、前記圧力室内の粘性を調整するために生成された粘性調整信号を兼ねることを特徴とする請求項５記載の液体吐出状態判定方法。

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