JP2014151646A - 圧電作動流体ディスペンサの流体特性づけ - Google Patents

Abstract

【課題】圧電作動流体ディスペンサで使用する流体の情報を決定する方法を提供する。
【解決手段】圧電素子１０６を使用して圧電作動流体ディスペンサ内のチャネルに圧力波１０８を生成することと、圧電素子１０６を使用して、生成に起因するチャネル１０２内の残留圧力振動を検出することと、圧力振動の共振周波数を取得することと、共振周波数を使用して、流体特性を決定する。
【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は、一般に、圧電作動流体ディスペンサ、例えば、圧電インクジェットプリントヘッドで使用する流体についての情報を決定することに関する。

圧電作動流体ディスペンサは、さまざまな目的に対して用いることができ、文書作成に限定されない。効果的に作動させるために、圧電作動流体ディスペンサは、使用する流体のある特性に従って調整することができる。

システムおよび方法を含む、圧電作動流体ディスペンサを使用して流体特性を測定する技術を開示する。本技術は、圧電素子を使用して圧電作動流体ディスペンサ内のチャネルに圧力波を生成することと、圧電素子を使用して、生成に起因するチャネル内の残留圧力振動を検出することと、圧力振動の共振周波数を取得することと、共振周波数を使用して、流体特性を決定することとを備える。

上記技術は、以下のさまざまなオプション機能を備える。流体特性は、粘性、または音速とすることができる。特性が音速である場合、本技術は、共振周波数に、チャネルの特性による定数を乗ずることを備えることができる。特性が音速である場合、本技術は、複数の圧力波のそれぞれが異なる滞留時間を有するように圧電素子を使用して圧電作動流体ディスペンサ内のチャネルに複数の圧力波を生成することと、共振周波数でパワースペクトルの振幅での振動周期を決定することと、振動周期の関数として音速を決定することとを備えることができる。特性が粘性である場合、本技術は、残留圧力振動のパワースペクトルにおける共振ピークの幅を計算することと、その幅に基づき、粘性を決定することとを備えることができる。幅は、半値全幅、分散値、または標準偏差とすることができる。本技術は、流体特性に基づき、流体温度および圧力波の少なくとも一方を調整することを備えることができる。本技術は、較正流体に基づき、較正情報を取得することを含むことができる。特性が粘性である場合、本技術は、流体密度パラメータを取得することを備えることができる。流体密度パラメータを取得することは、格納されたルックアップテーブルの流体密度にアクセスすることを含むことができる。

図１Ａは、さまざまな実施形態による、圧電作動流体ディスペンサの単一ユニットの概略図である。 図１Ｂは、さまざまな実施形態による、圧電作動流体ディスペンサの単一ユニットの概略図である。 図２は、さまざまな実施形態による、圧電作動流体ディスペンサの自己検知回路の一例の概略図である。 図３は、さまざまな実施形態による、３つの異なる圧電インクジェットプリントヘッドに対する圧電インクジェットプリントヘッドの自己モニタリング回路の信号レベルおよびパワースペクトルを表すグラフを集めたものである。 図４は、さまざまな実施形態による、さまざまな例としてのインクに対する共振周波数振幅振動のグラフである。 図５は、さまざまな実施形態による、粘性計算に対するマスター曲線の一例を示すグラフである。 図６は、さまざまな実施形態による、処理の一例を示すフローチャートである。

圧電作動流体ディスペンサ技術は、文書の印刷に使用することができるが、そのような使用法に限定されるものではない。通常は、圧電作動流体ディスペンサ技術は、添加剤製造のために使用することができる。例えば、圧電作動流体ディスペンサにより、インクに限定されない多くの異なる流体材料を、さまざまな基材に添加することができる。用途分野の例には、生物学、医学、プリンテッドエレクトロニクス（例えば、有機プリンテッドエレクトロニクス）、光起電技術、および３Ｄプリンティングがある。したがって、本開示全体を通して、「インク」という用語は、典型的なインクジェット印刷技術で使用されるインクを含み、さらに、任意の用途に対する圧電作動流体ディスペンサで使用することができる任意の流体を含むことができる。

圧電作動流体ディスペンサの性能は、インク内の音速およびインク粘性などの、あるインク特性に部分的に左右される。特に、圧電作動流体ディスペンサのパラメータ（例えば、温度、噴射波形周波数、噴射波形滞留時間）を調整することは、少なくともインク音速および粘性に左右される。したがって、インク音速およびインク粘性を測定することは、圧電作動流体ディスペンサの動作を改善し、最適化するために役立つ。しかしながら、従来の分析装置を使用してすべてのインクを測定することは、多くのインクを評価する必要がある状況では特に、時間的にもコスト的にも効率が悪い。レオメータを使用して、ある一定の粘性を測定することが可能だが、典型的なレオメータの最高振動周波数は１００Ｈｚ程度であり、典型的な圧電作動流体ディスペンサの噴射周波数よりはるかに低い。インク粘性を測定することの困難さに加え、何らかのインクなどの非ニュートン流体の粘性は、せん断速度で変更することができる。さらに、インク音速を測定することは、簡便な、広く普及している測定装置がないため、それ独自の課題を提起する。

さまざまな実施形態で、圧電作動流体ディスペンサの自己検知回路を使用してインクにおける音速とインクの粘性を測定する。本実施形態は、例えば、圧電作動流体ディスペンサ技術の生物学的用途において、例えば、インク調合者およびエンドユーザによって使用することができる。

図１Ａおよび図１Ｂは、さまざまな実施形態による、圧電作動流体ディスペンサの単一ユニットの概略図である。本ディスペンサは、インクを含有するチャネル１０２を備える。圧電素子１０６は、アクチュエータの役目を果たす。具体的には、圧電素子１０６は、電圧が、例えば以下の式に従って印加された場合に、偏向する。

式（１）において、ｙは、キャパシタンスＣ、粘度ｋ、ならびに圧電電荷定数ｄを有する圧電素子に対する電圧Ｖおよび電荷Ｑの印加に起因する力Ｆでの変位量を表す。したがって、電圧波形１０４を圧電素子１０６に印加することにより、インクチャネル１０２において圧力波１０８を生成する。さらに、圧力波１０８により、圧電作動流体ディスペンサに、インク液滴１１０をノズル１１２から排出させることができる。

通常は、圧力波１０８は、電圧波形１０４が除去されると、チャネル１０２内で振動を続ける。この残留振動は、流体粘性およびチャネル構造（例えば、完全に弾性ではないチャネル１０２の壁）によって徐々に減衰する。電圧波形１０４の振幅は、ノズル１１２からインク液滴１１０を排出させるために不十分であるが、チャネル１０２における残留振動の生成には十分な振幅である可能性があることを留意されたい。

式（１）は、印加電圧に起因する変位、および機械的な誘起変位に起因して生成された電圧の両方を特徴づけることに留意されたい。すなわち、キャパシタンスＣ、粘度ｋ、圧電電荷定数ｄを有する圧電素子を、力Ｆを使用して距離ｙだけ機械的に変位することは、式（１）によって表されるような電圧Ｖで電荷Ｑを生成する。したがって、図２を参照して以下で説明するように、圧電素子１０６は、電圧波形１０４を印加した後、チャネル１０２における残留振動を検知するために使用することができる。自己検知信号は、残留振動に起因する圧電素子１０６の表面上の総圧力に比例する。

図２は、さまざまな実施形態による、圧電作動流体ディスペンサの自己検知回路の一例の概略図である。図２に示す自己検知回路は単なる例示であり、他の多くの自己検知回路を代替に使用することができることに留意されたい。したがって、図２の特定の回路に限定されない。図２に示すように、自己検知回路は、圧電作動流体ディスペンサに配置することが可能な圧電素子２０２を備える。圧電素子２０２は、例えば、電気的に制御可能な固体素子とすることが可能なスイッチ２０４に電気的に結合される。スイッチ２０４は、圧電素子２０２を増幅器２０６に電気的に結合することができ、圧電素子２０２に電気的駆動波形２０８を伝達することができる。駆動波形２０８を圧電素子２０２に結合すると、スイッチ２０４は、増幅器２０６から圧電素子２０２を電気的に切り離すよう動作し、圧電素子２０２を抵抗器２１０に電気的に結合することができる。その場合、自己検知信号２１２（例えば、電圧）が、抵抗器２１０の両端で見られる。

例えば、スイッチ２０４は、数十ナノ秒程度のスイッチング速度を有する。残留振動は、数十マイクロ秒程度で残ることができる。したがって、スイッチ２０４は、圧電素子２０２を駆動波形２０８から切り離し、抵抗器２１０に結合することができ、自己検知信号２１２は、関連するインクチャネルに現れる残留波形のすべてを実施的に取り込むことができる。

図３は、さまざまな実施形態による３つの異なる圧電インクジェットプリントヘッドに対する圧電インクジェットプリントヘッドの自己モニタリング回路の信号レベルおよびパワースペクトルを表すグラフを集めたものである。本グラフは、一般にｔ＝０で始まる初期圧力波を示していない。むしろ、本グラフは、結果としての残留振動のみを示す。したがって、グラフ３０２は、第１の例示的インクを使用する第１の例示的圧電インクジェットプリントヘッドにおける自己検知信号を示す。グラフ３０２の信号は、約４０マイクロ秒間、振動する。グラフ３０８は、グラフ３０２の自己検知信号に対応するパワースペクトルを表す。特に、グラフ３０８は、約１６５ｋＨｚの共振周波数を示す。グラフ３０４は、第２の例示的インクを使用する第２の例示的圧電インクジェットプリントヘッドにおける自己検知信号を示す。グラフ３０４の信号は、約４０マイクロ秒間、振動する。グラフ３１０は、グラフ３０４の自己検知信号に対応するパワースペクトルを表す。特に、グラフ３１０は、約２２０ｋＨｚの共振周波数を示す。グラフ３０６は、第３の例示的インクを使用する第３の例示的圧電インクジェットプリントヘッドにおける自己検知信号を示す。グラフ３０６の信号は、約４０マイクロ秒間、振動する。グラフ３１２は、グラフ３０６の自己検知信号に対応するパワースペクトルを表す。特に、グラフ３１２は、約２１５ｋＨｚの共振周波数を示す。

グラフ３０８、３１０、および３１２のパワースペクトルは、グラフ３０２、３０４、および３０６の信号にそれぞれ適用される既知の技術、例えば、高速フーリエ変換を使用して取得することができる。パワースペクトルが取得されると、既知の技術、例えば、ピーク検出法を使用して、共振周波数を識別することができる。（１つまたは複数の共振周波数が検出される可能性があり、そのような場合、いくつかの実施形態では、最大振幅を有する共振周波数を使用する）。本段落で説明した技術は、例えば、ハードウェア、ソフトウェア、またはそれらの組合せを使用して実現することができる。

ある実施形態では、上記のように、圧電作動流体ディスペンサの自己検知信号の共振周波数を取得し、その共振周波数を使用して、各インクにおける音速を計算する。音速と共振周波数との間の関係は、例えば、以下の式（２）に従って表すことができる。

上記の式（２）において、ｆは、例示的なインクを備える圧電作動流体ディスペンサの自己検知信号の（例えば、最大振幅を有する）共振周波数を意味し、ｃは、例示的なインクにおける音速を意味し、αは、圧電作動流体ディスペンサのチャネルの物理的特性（例えば、物理的較正および温度）にのみ左右される定数を意味する。パラメータαが、所与の圧電作動流体ディスペンサおよび所与のインクに対して決定されると、さまざまなインクに対する音速が、式（２）、および圧電作動流体ディスペンサから取得された自己検知信号データを使用して、さまざまなインクに対して計算することができる。

したがって、いくつかの実施形態では、パラメータαを取得および格納し、後に、音速を計算する際に使用する。（いくつかの実施形態では、それぞれが異なる温度に対応する、αに対する複数の値を取得および格納する）。このことは、工場での設定において、エンドユーザによる設定において、または別の設定において、生じる可能性がある。αを（特定の温度で、特定の圧電作動流体ディスペンサに対して）計算するために、既知の音速を有する流体を使用することができる（本明細書では、「較正流体」と称する）。そのような較正流体は、例えば、水、水とグリセロールの混合物、液体ワックス、オイルなどを含む。（真水に対して、２５℃での音速は約１４９７ｍ／ｓであり、１５℃では約１４６６ｍ／ｓである）。αを決定するために、実施形態では、動作温度を決定し、その動作温度で較正流体に対する音速を検索し、圧電作動流体ディスペンサの自己検出信号を使用して、その共振周波数に対する値を決定し、αについて式（２）を解く。いくつかの実施形態では、圧電作動流体ディスペンサに含まれる、または圧電作動流体ディスペンサに取り付けられた永続メモリに、温度に関連するαに対する値を格納する。

いくつかの実施形態では、圧電作動流体ディスペンサで使用するインクに対する音速を、以下のように決定することができる。本実施形態では、自己検知信号を取得し、そのパワースペクトルもしくは高速フーリエ変換を計算し、それを使用して、共振周波数を決定する。次いで、本実施形態では、現在の動作温度に対して適切なαに対する値を（例えば、電子的永続メモリから）検索し、次いで、式（２）を使用して、音速ｃについて解く。

上記の技術では、インク音速を計算する方法は１つではない。インク音速を計算する他の技術について、図４を参照して、以下で詳細に説明する。

図４は、さまざまな実施形態による、さまざまな例示的インクに対する共振周波数振幅振動のグラフ４０４である。そのような共振周波数振幅振動を使用して、本明細書で説明するような音速を決定することができる。圧電作動流体ディスペンサにおけるチャネル音響は、駆動波形で変化する。より具体的には、長さ（滞留時間）の異なる台形波により、チャネル共振周波数でのパワースペクトル振幅を、滞留時間の関数として振動させる。したがって、グラフ４０４は、駆動波形滞留時間の関数として３つの例示的インクに対するパワースペクトル共振周波数を示す。例えば、インク１に対して、ゼロ滞留時間での台形駆動波形は、高さ３のパワースペクトル共振周波数に対応し、２マイクロ秒の滞留時間での台形駆動波形は、高さ約６．８のパワースペクトル共振周波数に対応する。特に、滞留時間期間によるパワースペクトル共振周波数の振動周期は、使用するインクにおける音速に反比例する。

したがって、いくつかの実施形態では、共振周波数情報を使用して、以下のように、インクの音速を決定する。まず、そのような実施形態では、較正流体を使用して、特定の温度に対する比例定数を決定する。そのような実施形態では、圧電作動流体ディスペンサに含まれる、または圧電作動流体ディスペンサに結合される永続メモリに、そのような定数に対する値を格納することができる。新しいインクに対する音速を決定するために、本実施形態では、さまざまな滞留時間を有する多くの台形駆動波形を送出し、対応するパワースペクトル共振周波数ピーク高を記録する。（そのような駆動波形の数は、共振周波数ピーク高の周期を識別するために十分な任意の数である）。次いで、本実施形態では、共振周波数ピーク高に対する振動周期を決定し、メモリから関連温度に対する比例定数を検索し、適切な比例定数によって決定された線形方程式でこれらのパラメータを使用して、動作温度での新しいインクに対する音速を計算する。

圧電自己検知信号を使用して圧電作動流体ディスペンサの共振周波数に基づいてインク音速を計算するための他の技術も可能であるが、図３および図４を参照して上記した技術に限定されない。

圧電作動流体ディスペンサの自己検知信号によって検出された共振周波数を使用してインク粘性を決定するための技術は、図５を参照して以下で説明する。

図５は、さまざまな実施形態による、粘性計算に対するマスター曲線の一例を示すグラフである。一般的に、自己検知信号は、アンダーダンプ振動の集合である。圧電作動流体ディスペンサにおける減衰には２つの１次ソースがあり、すなわち、流体粘性による減衰および構造的非弾性による減衰である。減衰係数は、例えば、共振ピークの半値全幅（“ＦＷＨＭ”）から推定することができる。この関係の数式の一例を、式（３）として以下に表す。

式（３）において、ＦＷＨＭは、その最大の大きさの半分での共振周波数での自己検知信号パワースペクトルの幅を表し、“ρ”は、インク密度を表し、記号“α”は、比例係数を表し、βｓは構造的非弾性による減衰を表し、βｖは、流体粘性による減衰を表す。所与の圧電作動流体ディスペンサに対し、βｓは一定である。したがって、式（３）を用いると、既知のセットの流体でのインク粘性と積ＦＷＨＭ×ρとの間の既知の関係曲線を構築することが可能である。すなわち、複数の流体または流体温度に対する所与の複数のトリプル（ｖ，ＦＷＨＭ，ρ）があるとすると、記号“ｖ｛”が粘性を表し、ＦＷＨＭ×ρから任意の流体に適用する流体粘性へのマップを構築することが可能である。これらのトリプルは、複数の温度で既知の特性を有する較正流体またはワックスインクを使用して取得することができる。以下の表は、そのようなデータの一部を示す。

上記の表は、さまざまな温度での一例としてのワックスインク（“ＷＩ”）に対するＦＷＨＭとρの値を示している。このワックスインクに対する特性は既知であり、これらの状態に対して対応する粘性もまた既知である。これらのパラメータから、図５の曲線を、既知の技術、例えば、最小二乗法を使用して推定することができる。

次いで、図５の曲線を使用して、自己検知信号を使用して測定されるようなＦＷＨＭに基づき、および既知の密度に基づき、新しいインクに対する粘性値を取得することができる。したがって、いくつかの実施形態では、例えば、関係する圧電作動流体ディスペンサに含まれる、または関係する圧電作動流体ディスペンサに結合される永続メモリに、さまざまな温度でのさまざまなインクの密度値を格納する。ユーザは、所与のインクの識別情報をユーザインターフェースに提供することができ、システムは、ρに対して関連する値を検索することができる。その時点で、システムは、図５の曲線（または、追加の、もしくは代替の測定値に基づく類似曲線）に基づいて、対応する粘性と積ＦＷＨＭ×ρを一致させることができる。

図６は、さまざまな実施形態による、自己検知信号を使用して検出された共振周波数を使用してインク特性を決定するための処理の一例を示すフローチャートである。図６の処理は、例えば、図１および図２で示したような圧電作動流体ディスペンサ、ならびにソフトウェア、ハードウェア、もしくはそれらの組合せを使用して実現することができる。

ブロック６０２では、本システムは、駆動波形を圧電作動流体ディスペンサの圧電素子（例えば、図２の圧電素子２０２）に印加して、チャネル内に圧力波を生成する。圧力波形は、振幅および滞留時間などの既知のパラメータを有することができる。ブロック６０４では、本システムは、例えば、図２の切り替えスイッチ２０４を用いて残留圧力振動を検出し、自己検知信号を提供する。ブロック６０６では、本システムは、例えば、高速フーリエ変換を使用して、残留圧力振動の共振周波数を取得する。

ブロック６０８では、本システムは、図３から図５を参照して本明細書で説明した技術の１つへの入力として共振周波数を使用してインク特性を決定し、音速および／または粘性を決定する。

音速および／またはインク粘性に対する値が決定すると、本システムは、既知の技術に従って、圧電作動流体ディスペンサのパラメータ（例えば、温度、噴射波形周波数、噴射波形滞留時間）を調整することができる。

Claims (10)

1. 圧電作動流体ディスペンサを使用して流体特性を測定する方法であって、
   圧電素子を使用して前記圧電作動流体ディスペンサ内のチャネルに圧力波を生成することと、
   前記圧電素子を使用して、前記生成に起因する前記チャネル内の残留圧力振動を検出することと、
   前記圧力振動の共振周波数を取得することと、
   前記共振周波数を使用して、前記流体特性を決定することと、を備える、方法。
2. 前記流体特性が、粘性および音速のうち一方である、請求項１に記載の方法。
3. 前記特性が音速である場合、前記共振周波数に、前記チャネルの特性による定数を乗ずることをさらに備える、請求項１に記載の方法。
4. 前記特性が音速である場合、前記圧電素子を使用して前記圧電作動流体ディスペンサ内の前記チャネルに、それぞれが異なる滞留時間を有する複数の圧力波を生成することと、
   前記共振周波数でパワースペクトルの振幅での振動周期を決定することと、
   前記振動周期の関数として前記音速を決定することとをさらに備える、請求項１に記載の方法。
5. 前記特性が粘性である場合、前記方法は、前記残留圧力振動のパワースペクトルにおける共振ピークの幅を計算することと、前記幅に基づき、前記粘性を決定することとをさらに備える、請求項１に記載の方法。
6. 流体特性を測定するためのシステムであって、
   チャネルを備え、流体を定量供給するよう構成され、流体を含有するよう構成された圧電作動流体ディスペンサと、
   前記チャネル内に圧力波を生成するよう構成され、前記チャネル内の残留圧力振動を示すプロセッサに信号を供給するようさらに構成された圧電素子と、
   前記圧力振動の共振周波数を取得するよう構成されたプロセッサと、
   前記共振周波数に基づいて、前記流体特性を決定するよう構成されたプロセッサと、を備える、システム。
7. 前記流体特性が、粘性および音速のうち一方である、請求項６に記載のシステム。
8. 前記特性が音速である場合、前記システムは、前記共振周波数に、前記チャネルの特性による定数を乗ずるよう構成されたプロセッサをさらに備える、請求項６に記載のシステム。
9. 前記特性が音速である場合、前記圧電素子は、前記チャネルに、それぞれが異なる滞留時間を有する複数の圧力波を生成するよう構成され、プロセッサが、前記共振周波数でパワースペクトルの振幅での振動周期を決定するよう構成され、およびプロセッサが、前記振動周期の関数として前記音速を決定するよう構成される、請求項６に記載のシステム。
10. 前記特性が粘性である場合、前記システムは、前記残留圧力振動のパワースペクトルにおける共振ピークの幅を計算するよう構成されたプロセッサと、前記幅に基づき、前記粘性を決定するよう構成されたプロセッサとをさらに備える、請求項６に記載の方法。

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