JP2007245463A

JP2007245463A - 液体噴射装置、固有振動周期測定装置

Info

Publication number: JP2007245463A
Application number: JP2006070695A
Authority: JP
Inventors: Kazuhisa Kato; 和久加藤
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2006-03-15
Filing date: 2006-03-15
Publication date: 2007-09-27

Abstract

【課題】圧電振動子の固有振動周期を高精度に測定し、この高精度に測定された固有振動周期に基づいて駆動パルスを修正する液体噴射装置などを提供する。
【解決手段】例えば、圧電振動子１５によりノズル開口１３から液体を吐出する記録ヘッド１０を備えたインクジェットプリンタ１であって、圧電振動子１５の振動に関する加速度波形の複数の振幅の中の１つの振幅の極大値となる変曲点とその振幅とは異なる振幅の極大値となる変曲点との間の距離、又は、加速度波形の複数の振幅の中の１つの振幅の極小値となる変曲点とその振幅とは異なる振幅の極小値となる変曲点との間の距離から圧電振動子１５の固有振動周期を算出し、この算出した固有振動周期をもって、圧電振動子１５を振動させる駆動パルスを生成する、ことを特徴とするインクジェットプリンタ１である。
【選択図】図３

Description

本発明は、液体滴を吐出する液体噴射ヘッドに圧電振動子を用いる液体噴射装置に関する。

液体滴を吐出するインクジェット式記録ヘッドに圧電振動子を用いるインクジェット式記録装置においては、圧電振動子を変形させて圧力室内のインク圧力を変動させ、ノズル開口から液体滴を吐出させている。この圧力変動に伴って圧力室内の液体には圧力室内が恰も音響管であるかのように振る舞う圧力振動が励起される。この振動は、液滴がノズル開口から吐出された後にリザーバから圧力室に液体が流入する力でメニスカスが凹凸状態になる振動とは異なるものであり、この前者の圧力振動の周期は数μｍ〜十数μｍと短い周期であるのに対し、後者の振動は数十μｍと比較的長い周期であることが大きな相違である。液体滴の吐出後は、圧電振動子が固有の周期（以下、「固有振動周期」という）で振動する固有振動が励起されることで上述した前者の振動が発生するため、圧電振動子を変形させるための駆動パルスは、圧電振動子の固有振動周期に基づいて定めるのが好ましい。しかしながら、固有振動周期は、圧電振動子ごとにばらついているため、それぞれの圧電振動子について算出する必要がある。そこで、従来、圧電振動子を振動させて、圧電振動子の残留振動に基づく逆起電力信号から、当該逆起電力信号の隣接する極大値（波形の山）または隣接する極小値（波形の谷）を抽出することにより、圧電振動子の固有振動周期を測定する発明が提案された（特許文献１参照）。
特開２００４−３５１７０４号公報

しかしながら、圧電振動子の微小化がさらに進んだ場合は、圧電振動子の振動に歪みが生じる。したがって、圧電振動子の振動に基づく固有振動周期についても、これをより高精度に測定可能なものが必要となる。
そこで、本発明は、圧電振動子の固有振動周期を高精度に測定し、この高精度に測定された固有振動周期に基づいて駆動パルスを修正する液体噴射装置、および圧電振動子の固有振動周期を高精度に測定可能な固有振動周期測定装置を提供することを目的とする。

上記課題は、本発明の構成において、圧電振動子によりノズル開口から液体を吐出する液体噴射ヘッドを備えた液体噴射装置であって、前記圧電振動子の振動に関する加速度波形の複数の振幅の中の１つの振幅の極大値となる変曲点とその振幅とは異なる振幅の極大値となる変曲点との間の距離、又は、加速度波形の複数の振幅の中の１つの振幅の極小値となる変曲点とその振幅とは異なる振幅の極小値となる変曲点との間の距離から前記圧電振動子の固有振動周期を算出し、この算出した固有振動周期をもって、前記圧電振動子を振動させる駆動パルスを生成する、ことを特徴とする液体噴射装置により達成される。
従来は、圧電振動子の速度波形から固有振動周期を測定していた。具体的には、速度波形が「０」となる点（ゼロクロス点）の検出を以って速度波形の変曲点検出開始の合図とし、この合図の後から速度波形の変曲点を検出し、その間隔をもって固有振動周期としていた。しかしながら、圧電振動子が微小化されると、どの点をゼロクロス点として検出するかを決定することは困難である。このことは、速度波形の変曲点についても同様のことが言える。そこで、本発明は、圧電振動子の加速度波形であれば、速度波形よりも高精度に固有振動周期が測定可能であることを見出し、圧電振動子の加速度波形から固有振動周期を算出することとした。したがって、本発明によれば、圧電振動子が微小化され、速度波形が小さな振幅によって歪んだ場合であっても、圧電振動子の固有振動周期を高精度で測定することが可能となる。

また、上記課題は、本発明の構成において、圧電振動子の振動に関する加速度波形を計測する計側手段と、前記計測手段で計測した加速度波形の最小値を検出する最小値検出手段と、前記計測手段で計測した加速度波形について、前記最小値検出手段で検出した最小値以降の極大値となる変曲点又は極小値となる変曲点のいずれか一方の変曲点を検出する変曲点検出手段と、前記変曲点検出手段で検出した変曲点の中から複数の変曲点を選択する選択手段と、前記複数の変曲点が生じた時刻の差を、前記最小値が生じた時刻から第１の変曲点の生じた時刻までの変曲点の数と前記最小値が生じた時刻から前記第１の変曲点と前記最小値の間の時刻に存在する第２の変曲点が生じたまでの変曲点の数との差で除することにより、前記圧電振動子の固有振動周期を算出する算出手段と、前記算出手段で算出された圧電振動子の固有振動周期でもって、前記圧電振動子を振動させる駆動パルスを生成する修正手段と、を備えたことを特徴とする液体噴射装置により達成される。
圧電振動子の加速度波形から固有振動周期を算出する方法には種々のものが考えら得るが、本発明のように、計測手段で計測した加速度波形の最小値を検出すれば、加速度波形上の変曲点の検出を、どのタイミングから開始すればよいかを明確に定めることができ、固有振動周期の測定ごとに変曲点の検出開始のタイミングが微妙に異なるということがない。また、本発明は、加速度波形上の変曲点が速度波形上の変曲点よりも検出し易いことを見出した。本発明によれば、圧電振動子が微小化され、速度波形が小さな振幅によって歪んだ場合であっても、圧電振動子の固有振動周期を高精度で測定することが可能となる。

また、上記課題は、本発明の構成において、液体噴射装置が備える液体噴射ヘッドにおける圧電振動子の振動に関する加速度波形の複数の振幅の中の１つの振幅の極大値となる変曲点とその振幅とは異なる振幅の極大値となる変曲点との間の距離、又は、加速度波形の複数の振幅の中の１つの振幅の極小値となる変曲点とその振幅とは異なる振幅の極小値となる変曲点との間の距離から前記圧電振動子の固有振動周期を算出することを特徴とする固有振動周期測定装置により達成される。
従来は、圧電振動子の速度波形から固有振動周期を測定していた。具体的には、速度波形が「０」となる点（ゼロクロス点）の検出を以って速度波形の変曲点検出開始の合図とし、この合図の後から速度波形の変曲点を検出し、その間隔をもって固有振動周期としていた。しかしながら、圧電振動子が微小化されると、どの点をゼロクロス点として検出するかを決定することは困難である。このことは、速度波形の変曲点についても同様のことが言える。そこで、本発明は、圧電振動子の加速度波形であれば、速度波形よりも高精度に固有振動周期が測定可能であることを見出し、圧電振動子の加速度波形から固有振動周期を算出することとした。したがって、本発明によれば、圧電振動子が微小化され、速度波形が小さな振幅によって歪んだ場合であっても、圧電振動子の固有振動周期を高精度で測定することが可能となる。

また、上記課題は、本発明の構成において、圧電振動子の振動に関する加速度波形を計測する計側手段と、前記計測手段で計測した加速度波形の最小値を検出する最小値検出手段と、前記計測手段で計測した加速度波形について、前記最小値検出手段で検出した最小値以降の極大値となる変曲点又は極小値となる変曲点のいずれか一方の変曲点を検出する変曲点検出手段と、前記変曲点検出手段で検出した変曲点の中から複数の変曲点を選択する選択手段と、前記複数の変曲点が生じた時刻の差を、前記最小値が生じた時刻から第１の変曲点の生じた時刻までの変曲点の数と前記最小値が生じた時刻から前記第１の変曲点と前記最小値の間の時刻に存在する第２の変曲点が生じたまでの変曲点の数との差で除することにより、前記圧電振動子の固有振動周期を算出する算出手段と、を備えたことを特徴とする固有振動周期測定装置により達成される。
圧電振動子の加速度波形から固有振動周期を算出する方法には種々のものが考えら得るが、本発明のように、計測手段で計測した加速度波形の最小値を検出すれば、加速度波形上の変曲点の検出を、どのタイミングから開始すればよいかを明確に定めることができ、固有振動周期の測定ごとに変曲点の検出開始のタイミングが微妙に異なるということがない。また、本発明は、加速度波形上の変曲点が速度波形上の変曲点よりも検出し易いことを見出した。本発明によれば、圧電振動子が微小化され、速度波形が小さな振幅によって歪んだ場合であっても、圧電振動子の固有振動周期を高精度で測定することが可能となる。

以下に、添付した図面を参照しつつ、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。

図１は、本発明の液体噴射装置の実施の形態にかかるインクジェットプリンタ１の概略斜視図である。
インクジェットプリンタ１において、キャリッジ２が、ガイド部材３に移動可能に取り付けられている。このキャリッジ２は、駆動プーリ４と遊転プーリ５との間に掛け渡されたタイミングベルト６に接続されている。駆動プーリ４は、パルスモータ７の回転軸に接合されている。以上のような構成により、キャリッジ２は、パルスモータ７の駆動によって、記録紙８の幅方向に移動（主走査）されるようになっている。キャリッジ２における記録紙８との対向面（下面）には、後述する液体噴射ヘッドである例えば、インクジェット式記録ヘッド１０（以下、「記録ヘッド」という。）が取り付けられている。

図２は、記録ヘッド１０の概要を説明する図である。
図２に示すように、記録ヘッド１０は、液体貯留部の一種であるインクカートリッジ１１（図１参照）からのインクが供給される共通インク室１２と、複数（例えば６４個）のノズル開口１３が副走査方向に列設されたノズルプレート１４と、ノズル開口１３のそれぞれに対応して複数設けられた圧力室１６と、を主に備える。圧力室１６は、圧電振動子１５の変形によって膨張・収縮するようになっている。インク室１２と圧力室１６とは、インク供給口１８及び供給側連通孔１７を介して連通されている。また、圧力室１６とノズル開口１３とは、第１ノズル連通孔１９及び第２ノズル連通孔２０を介して連通されている。即ち、インク室１２から圧力室１６を通ってノズル開口１３に至る一連のインク流路が、ノズル開口１３毎に形成されている。本実施の形態におけるノズルプレート１４は、撥インク処理されたノズルプレート１４として構成してある。この撥インク処理されたノズルプレート１４は、均一に形成された撥インク性皮膜をノズルプレート基板の表面上に担持させたものである。撥インク処理ノズルプレート１４は、貫通孔として設けられた複数個のノズル開口１３を含む。ノズル開口１３は、記録紙８と対向するノズルプレート１４の外側の表面に、比較的小さい口径で開口している一方、第２ノズル連通孔２０側であるノズルプレートの裏側に、比較的大きい口径で開口している。このため、ノズル開口１３の内側壁面は、漏斗状、あるいは、コーン状となる。なお、前記の撥インク性皮膜は、ノズルプレート１４の少なくとも外側表面に形成される。上記の圧電振動子１５は、所謂たわみ振動モードの圧電振動子１５である。たわみ振動モードの圧電振動子１５を用いると、充電により圧電振動子１５が電界と直交する方向に縮んで圧力室１６が収縮し、充電された圧電振動子１５を放電することにより、圧電振動子１５が電界と直交する方向に伸長して圧力室１６が膨張する。すなわち、記録ヘッド１０では、圧電振動子１５に対する充放電に伴って、対応する圧力室１６の容量が変化する。このような圧力室１６の圧力変動を利用して、ノズル開口１３からインク滴を吐出させることができる。

図３は、本実施の形態に係るインクジェットプリンタ１の機能を示す概略ブロック図である。
図３に示すように、本実施の形態に係るインクジェットプリンタ１は、機能的に見て、記録ヘッド１０と、記録ヘッド１０が有する圧電振動子１５の振動を測定するレーザドップラー振動計２２と、レーザドップラー振動計２２から出力されるアナログデータをデジタルデータに変換するＡ／Ｄ変換部２３と、Ａ／Ｄ変換部２３から出力されるデジタルデータを用いて固有振動周期Ｔｃを算出する演算部２４と、演算部２４が算出した固有振動周期Ｔｃに基づいて駆動パルスを修正し、この修正した駆動パルスで記録ヘッド２１の圧電振動子１５を制御する制御部２４と、を備えている。
レーザドップラー振動計２１は、圧電振動子１５の先端にレーザ光を照射し、圧電振動子１５の先端で反射されたレーザ光を受信し、この受信したレーザ光に基づいて、圧電振動子１５の振動における変位、速度、加速度を計測し、アナログデータとして出力する。この計測においては、たとえば、圧電振動子１５の先端の上側、中央、下側の３点にレーザ光を照射し、それぞれで反射されたレーザ光に基づいて変位、速度、加速度をそれぞれ測定し、その平均値をＡ／Ｄ変換部２２に出力することとしてもよい。なお、本実施の形態では、レーザドップラー振動計を用いたが、圧電振動子の残留振動に基づく逆起電力信号から、圧電振動子の変位、速度、加速度を計測することも可能である。
レーザダイオード振動計２２から出力されたアナログデータは、Ａ／Ｄ変換部２２でＡ／Ｄ変換され、演算部２２に出力される。演算部２２では、圧電振動子１５の加速度から圧電振動子１５の固有振動周期を算出し、制御部２４に出力する。
制御部２４は、入力された固有振動周期に基づいて駆動パルスを修正し、記録ヘッド１０に出力する。
記録ヘッド１０の圧電振動子１５は、修正された駆動パルスに基づいて振動する。
記録ヘッド１０の圧力室１６内のインク圧力の固有振動周期Ｔｃは、記録ヘッド１０の組立後に設計値通りに実現されていない場合もあるし、また、経年変化等を生じる場合もある。そこで、本実施の形態では、記録ヘッド１０の製造後及びその後の適宜のタイミング毎に、例えば記録ヘッド１０の製造後１０日が経過する毎に、あるいは、インク滴吐出回数が１００００回を超える毎に、記録ヘッド１０の圧力室１６内のインク圧力の固有振動周期Ｔｃを測定し、それに応じて圧電振動子１５に供給される駆動信号を修正（調整）する。

図４は圧電振動子１５の速度及び加速度を示す図である。
固有振動周期Ｔｃの測定方法としては、残留振動として発生する振幅の極大値（又は極小値）とその振幅の隣に存在する振幅の極大値（又は極小値）との距離を測定することで固有振動周期を特定することができるが、図４に示すように、圧電振動子１５の速度波形は、圧電振動子１５の大きさの微小化が進むと、振幅の極大値（又は極小値）が目立たなくなる傾向にあり、その周期を測定することが困難となる。そこで、本実施の形態では、加速度波形に基づいて圧電振動子１５の固有振動周期を測定することとした。

図５は、演算部２３による固有振動周期Ｔｃの算出方法を示すフローチャートである。
まず、演算部２３は、加速度波形から「−Ｐｅｅｋ」点を検出し（Ｓ１）、以下に述べる変曲点の検出を開始する。ここで、「−Ｐｅｅｋ」点は、加速度波形上の最小値であり、他の残留振動の各振幅の極小値よりもはるかにマイナス側に極小値を有するものであるため、容易に検出することができる。その結果,測定の開始点が明確になるので、測定ポイントを即時に特定することができるため測定の時間を短縮できる。図４においては、この「−Ｐｅｅｋ」点を丸印で囲んでいる。
次ぎに、演算部２３は、変曲点（図４では極大値をとる点としているが、極小値をとる点とすることも可能である。）を検出する（Ｓ２）。図４においては、この変曲点（極大値をとる点）を丸印で囲んでいる。
次ぎに、演算部２３は、検出回数をカウントする（Ｓ３）。最初の変曲点１を検出した場合には、第１回目の検出であるから検出回数＝１となる。
次ぎに、演算部２３は、検出回数＝１であるか否かを判断し（Ｓ４）、検出回数＝１であれば、検出した変曲点の時刻を開始時刻として変数Ｔ１に代入する（Ｓ５）。
次に、演算部２３は、変曲点の検出が、加速度波形の最終まで行われたか否か、検出回数＝Ｎ（ここで、Ｎは２以上の整数であり、変曲点の検出を行う回数である。実施の形態ではＮ＝１０としている。）であるか否かを判断し（Ｓ６）、いずれの条件も満たさない場合には、上記したステップＳ２に戻り、変曲点の検出を繰り返す。加速度波形の最終まで行われた場合、または、検出回数＝Ｎ（実施の形態では１０）である場合は、変曲点の検出を終了し、最後に検出した変曲点の時刻を終了時刻として変数Ｔ２に代入する（Ｓ７）。
そして、演算部２３は、次式に基づいて、固有振動周期Ｔｃを算出する（Ｓ８）。

なお、実施の形態では、最初に検出した変曲点と最後に検出した変曲点とを利用して固有振動周期を算出するため、上式右辺の分子において「Ｔ２−Ｔ１」とし、分母において「Ｎ−１」としたが、より一般的に考えて、ある変曲点Ａと、それより後の変曲点Ｂとを用いて固有振動周期を算出する場合には、上式右辺の分子を「変曲点Ｂの時刻−変曲点Ａの時刻」とし、分母を「変曲点Ｂの検出をカウントした時点での検出回数−変曲点Ａの検出をカウントした時点での検出回数」とすればよい。

従来は、圧電振動子１５の速度から固有振動周期を測定していた。具体的には、速度波形が「０」となる点（ゼロクロス点）の検出を以って速度波形の変曲点検出開始の合図とし、この合図の後から速度波形の変曲点を検出し、その間隔をもって固有振動周期としていた。しかしながら、圧電振動子１５の大きさが微小化されると、図４に示す速度波形からも明らかなように、どの点をゼロクロス点として検出するかを決定することは困難である。このことは、速度波形の変曲点についても同様のことが言える。
これに対し、本実施の形態では、圧電振動子１５の加速度から固有振動周期を算出する。そして、本実施の形態では、「−Ｐｅｅｋ」点の検出を以って変曲点検出開始の合図とするが、この「−Ｐｅｅｋ」点の検出は、図４から明らかなように、容易に行うことができる。また、本実施の形態では、「−Ｐｅｅｋ」点の検出後の変曲点も容易に検出することができる。したがって、本実施の形態によれば、圧電振動子が微小化され、速度波形が小さな振幅によって歪んだ場合であっても、圧電振動子１５の固有振動周期を高精度で測定することが可能となる。

本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づき、種々の変形が可能である。例えば、圧力室１６内のインク圧力の固有振動周期Ｔｃの測定及び駆動信号の修正の実施間隔は、適宜に設定され得る。圧力室１６内のインク圧力の固有振動周期Ｔｃの測定及び駆動信号の修正は、使用者からの指示入力を待って行うようにしてもよい。なお、以上の説明はインクジェット式記録装置についてなされているが、本発明は、広く液体噴射装置全般を対象としたものである。液体の例としては、インクの他に、グルー、マニキュア、液体電極材料、生体有機物液体等が用いられ得る。更に、本発明は、液晶等の表示体におけるカラーフィルタの製造装置にも適用され得る。また、以上の説明では、インクジェットプリンタ１において圧電振動子１５の固有振動周期を測定し駆動パルスを修正する例について説明したが、上記で説明した原理は、インクジェットプリンタ１などの液体噴射装置の外で行うこともできる。この場合は、液体噴射装置の外から圧電振動子の変位、速度、加速度を計測して、上記の原理に基づいて固有振動周期を測定し、この測定した固有振動周期に基づいて駆動パルスを修正し、この修正した駆動パルスを液体噴射装置が有するＩＣチップなどに記憶させるなどとすることができる。

本実施の形態に係るインクジェットプリンタ１の概略斜視図である。記録ヘッド１０の概要を説明する図である。本実施の形態に係るインクジェットプリンタ１の機能を示す概略ブロック図である。圧電振動子１５の速度及び加速度を示す図である。演算部２３による固有振動周期Ｔｃの算出方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１・・・インクジェットプリンタ、２・・・キャリッジ、３・・・ガイド部材、４・・・駆動プーリ、５・・・遊転プーリ、６・・・タイミングベルト、７・・・パルスモータ、８・・・記録紙、１０・・・記録ヘッド、１１・・・インクカートリッジ、１２・・・インク室、１３・・・ノズル開口、１４・・・ノズルプレート、１５・・・圧電振動子、１６・・・圧力室、１７・・・供給側連通孔、１８・・・インク供給口、１９・・・第１ノズル連通孔、２０・・・第２ノズル連通孔、２１・・・ドップラー振動計、２２・・・Ａ／Ｄ変換部、２３・・・演算部、２４・・・制御部

Claims

圧電振動子によりノズル開口から液体を吐出する液体噴射ヘッドを備えた液体噴射装置であって、
前記圧電振動子の振動に関する加速度波形の複数の振幅の中の１つの振幅の極大値となる変曲点とその振幅とは異なる振幅の極大値となる変曲点との間の距離、又は、加速度波形の複数の振幅の中の１つの振幅の極小値となる変曲点とその振幅とは異なる振幅の極小値となる変曲点との間の距離から前記圧電振動子の固有振動周期を算出し、この算出した固有振動周期をもって、前記圧電振動子を振動させる駆動パルスを生成する、ことを特徴とする液体噴射装置。
圧電振動子の振動に関する加速度波形を計測する計側手段と、
前記計測手段で計測した加速度波形の最小値を検出する最小値検出手段と、
前記計測手段で計測した加速度波形について、前記最小値検出手段で検出した最小値以降の極大値となる変曲点又は極小値となる変曲点のいずれか一方の変曲点を検出する変曲点検出手段と、
前記変曲点検出手段で検出した変曲点の中から複数の変曲点を選択する選択手段と、
前記複数の変曲点が生じた時刻の差を、前記最小値が生じた時刻から第１の変曲点の生じた時刻までの変曲点の数と前記最小値が生じた時刻から前記第１の変曲点と前記最小値の間の時刻に存在する第２の変曲点が生じたまでの変曲点の数との差で除することにより、前記圧電振動子の固有振動周期を算出する算出手段と、
前記算出手段で算出された圧電振動子の固有振動周期でもって、前記圧電振動子を振動させる駆動パルスを生成する修正手段と、
を備えたことを特徴とする液体噴射装置。
液体噴射装置が備える液体噴射ヘッドにおける圧電振動子の振動に関する加速度波形の複数の振幅の中の１つの振幅の極大値となる変曲点とその振幅とは異なる振幅の極大値となる変曲点との間の距離、又は、加速度波形の複数の振幅の中の１つの振幅の極小値となる変曲点とその振幅とは異なる振幅の極小値となる変曲点との間の距離から前記圧電振動子の固有振動周期を算出することを特徴とする固有振動周期測定装置。
圧電振動子の振動に関する加速度波形を計測する計側手段と、
前記計測手段で計測した加速度波形の最小値を検出する最小値検出手段と、
前記計測手段で計測した加速度波形について、前記最小値検出手段で検出した最小値以降の極大値となる変曲点又は極小値となる変曲点のいずれか一方の変曲点を検出する変曲点検出手段と、
前記変曲点検出手段で検出した変曲点の中から複数の変曲点を選択する選択手段と、
前記複数の変曲点が生じた時刻の差を、前記最小値が生じた時刻から第１の変曲点の生じた時刻までの変曲点の数と前記最小値が生じた時刻から前記第１の変曲点と前記最小値の間の時刻に存在する第２の変曲点が生じたまでの変曲点の数との差で除することにより、前記圧電振動子の固有振動周期を算出する算出手段と、
を備えたことを特徴とする固有振動周期測定装置。