JP2018528883A - 液滴吐出装置 - Google Patents

Abstract

各々がノズル（１２）と、ノズルに接続されるダクト（１６）と、ノズル（１２）から液体の液滴を放出するようにダクト（１６）内の液体に圧力波を発生させるように配置される電気機械変換器（２２）とを備える複数の吐出ユニット（２８）、を持つノズルヘッド（１０）を有する液滴吐出装置であって、装置が、変換器（２２）に制御信号を印加し、変換器が圧力変動にさらされることに応じて変換器に生成される検出信号を受信するように配置される電子制御回路（３２）をさらに備え、ノズルヘッド（１０）が、基準変換器（４４）とし役立つ電気機械変換器を有する基準ダクト（４２）を備え、制御回路（３２）が、吐出ユニット（２８）のうちの少なくとも１つの検出信号から基準変換器（４４）の検出信号を減算するように配置される、液滴吐出装置。

Description

本発明は、各々がノズルと、ノズルに接続されるダクトと、ノズルから液体の液滴を放出するようにダクト内の液体に圧力波を発生させるように配置される電気機械変換器とを備える複数の吐出ユニット、を持つノズルヘッドを有する液滴吐出装置であって、装置が、変換器に制御信号を印加し、変換器が液体の圧力変動にさらされることに応じて変換器に生成される検出信号を受信するように配置される電子制御回路をさらに備える、液滴吐出装置に関する。

この種の液滴吐出装置は、たとえば、インクジェットプリンタまたは３Ｄプリンタに用いられ得る。ＥＰ１３７８３５９Ａ１は、前述のタイプの吐出装置を有するインクジェットプリンタを説明しており、そこでは、変換器は、圧電変換器によって形成される。電圧が変換器の電極の間に印加されると、圧電材料が変形させられ、それによって、ダクトの容積が変化され、圧力波がダクト内に収容される液体インクに引き起こされる。逆に、変換器が、たとえばノズルが始動された後にダクト内に依然として存在する音波によって引き起こされ得る液体インクの圧力変動を受けると、これらの圧力変動は、電子制御システムで検出され得る電圧変動を引き起こすことになる。知られているプリンタにおいては、この効果は、液滴吐出装置の機能を監視するために利用される。

一般に、圧力変動の結果としての変換器からの検出信号は、液滴を放出するために変換器に印加される制御信号または作動パルスよりもはるかに小さい。したがって、作動パルスを印加するための制御回路に、または圧力変動を検出するための検出回路のいずれかに変換器を接続することが一般的である。このことは、ある回路からもう１つの回路に切り替えることが必要であるので、これらの変動を測定するための時間ウィンドウを制限する。そのうえ、実際の作動中の圧力変動は吐出ユニットの状態に関する非常に貴重な情報を含み得るが、作動中の圧力変動は測定され得ない。

欧州特許出願公開第１３７８３５９号明細書

本発明の目的は、変動が作動パルスの印加中に測定され得る、前述のタイプの液滴吐出装置を提供することである。

第１の態様においては、目的は、請求項１に記載の液滴吐出装置で達成される。本発明によれば、上述のようなノズルヘッドは、本明細書においてダミーダクトとも呼ばれる、動作中に液体を含まないように設計される、基準ダクトを持つ基準ユニットをさらに備え、これは、基準変換器として役立つ電気機械変換器を有し、制御回路は、吐出ユニットのうちの少なくとも１つの変換器の検出信号から基準変換器の検出信号を減算するように配置される。

吐出ユニットのうちの少なくとも１つおよび基準ユニットの検出信号の作動パルスは制御回路における減算によって相殺するので、本発明は、作動パルスの印加中でさえも、圧力変動の測定が行われ得るという利点を有する。動作中、基準ユニットの基準ダクトは液体を含まないので、吐出ユニットのうちの少なくとも１つの検出信号のみが、圧力変動からの寄与を含む。したがって、圧力変動に起因する信号は、減算によって失われない。

圧力変動からの信号寄与しか含まないので、結果として生じる信号に基づいて、吐出ユニットの状態の正確な解析が可能になる。そのうえ、減算による作動信号の除去を考慮して、作動パルスの印加中の液体の圧力変動を解析することが可能になる。

本発明者らは、電気機械変換器の静電容量が十分に安定していないので、固定された基準コンデンサが作動パルスを相殺するのに不十分であることが分かった。結果として、作動パルスは、減算によって十分に抑制され得るとは限らない。作動パルスは検出信号よりもはるかに大きいので、作動パルスの小さな残りの部分は、容易に検出信号の範囲を超えることになる。さらに、液体のない基準ダクトを持つ基準変換器の有効性は、外部からノズルヘッドに引き起こされ得る振動に対して、変換器の電子特性の温度ドリフトに対して、および変換器のエージング効果に対して吐出ユニットの変換器からの信号の検出をよりロバストにする。この種の効果は、吐出ユニットの機能を監視するために処理されることになる信号の検出を損なう場合もあるが、本質的に同じ方法で吐出ユニットの変換器および基準変換器に影響を及ぼすことになり、したがって、これらの変換器の信号を互いに減算することによって、妨害効果を抑制することが可能である。

基準変換器およびそれに関連するダミーダクトは、液滴を放出するために使用されない。したがって、このダクトは、液体供給源から切り離される。これは、ノズルに接続されても接続されなくてもよい。しかしながら、他の点では、その変換器およびそのダクトを持つ基準ユニットの設計は、変換器が本質的に同じ方法で上述の妨害効果に反応することになるように、吐出ユニットの設計と同一であることが好ましい。

検出信号を減算するために、変換器は、変換器の電気的特性のどんな起こり得る差も補償するために平衡化されるブリッジ回路の一部を形成することができる。

ノズルヘッドは、液体インク供給源から切り離される１つまたは複数のダミーダクトを備えることができる。しかしながら、一般に、ダミーダクトの数は、吐出ユニットの数よりもかなり少ないであろう。スイッチネットワークが、吐出ユニットの変換器のうちの１つを信号減算のために使用される回路に選択的に接続するために設けられることが好ましい。

このタイプの従来の液滴吐出装置においては、吐出ユニットの変換器の検出信号は、その変換器についての作動パルスの合間にのみ受信されるのが一般的である。すなわち、変換器は、制御信号が印加され得るように制御回路の信号源に接続されるか、または、これは、この信号源から切り離され、その代わりとして検出回路に接続される。その理由は、変換器についての作動パルスは、通常、非常に高い振幅を有することになるので検出信号を隠すことになるからである。しかしながら、本発明による装置においては、同じ作動パルスが監視されることになる吐出ユニットの変換器に、および基準変換器に印加され、これらのパルスは比較またはブリッジ回路で互いに相殺し、したがって、検出されるものは、２つの検出信号の間の差のみであり、この差は、ダミーダクト内は除いて吐出ユニット内の液体にのみ存在する圧力波を示している。このようにして、変換器がアクティブである期間でさえも検出信号を得ることができ、それにより、吐出ユニットの機能をより厳密に監視することが可能である。

さらなる態様においては、目的は、請求項１に記載の液滴吐出装置を作動するための、請求項７に記載の方法で達成される。本発明による方法においては、少なくとも１つの吐出ユニットが作動され、すなわち、前記少なくとも１つの吐出ユニットの変換器が作動され、基準変換器が作動される。検出信号は、変換器からおよび基準変換器から受信される。基準変換器からの検出信号は、変換器からの検出信号から減算され、それによって、吐出ユニットのダクト内の液体の圧力変動からの寄与とは別の任意の他の寄与を相殺する。次いで、前記少なくとも１つの吐出ユニットの吐出ユニット状態を決定するために結果として生じる減算の信号を解析すること。

次に、実施形態の例が、図面に関連して説明されることになる。

本発明による装置のノズルヘッドの、一部を断面にした斜視図、ならびに電子制御回路のブロック線図である。 電子制御回路の不可欠な部分の回路図である。

図１に示されるように、たとえばインクジェットプリンタの一部を形成し得る液滴吐出装置は、平坦なノズル面１４に形成される複数のノズル１２を持つノズルヘッド１０を備える。ノズルヘッド１０は、たとえばＭＥＭＳ技術（マイクロエレクトロメカニカルシステム）によって形成され得る。

各ノズル１２は、液体インクで満たされるダクト１６の１つの端部に接続される。ダクト１６の反対側の端部は、ノズルヘッド全体のすべてのノズル１２およびダクト１６に共通であるインク供給ライン１８に接続される。各ダクト１６の１つの壁は、電気機械変換器２２がダクト１６の外側の側面に取り付けられる可撓性膜２０によって形成される。変換器２２は、そのうちの２つのみがここに示されているいくつかの電極２４を有する。変換器２２は、互いに積み重ねられる圧電材料の複数の層と、それらの間に介在する内部電極とを持つ圧電変換器であってもよい。次いで、圧電材料の内側の内部電極は、上部側の電極２４および底部側の電極２６と交互に接続されることになる。もう１つの実施形態においては、示されるように、上部電極と底部電極との間に配置される圧電材料の単一層がある。特に、ＭＥＭＳ技術においては、この種のアクチュエータは、ゾル−ゲル処理またはスパッタリング処理または任意の他の適切な処理によって提供される薄膜圧電によって形成される。電圧が電極に印加されると、これにより、変換器２２は曲げモードで撓むことになり、膜２０の撓みが生じる。

たとえば、電圧パルスが作動パルスとして電極２４および２６に印加されると、膜２０は、パルスの立ち上がり斜面でダクト１６の内部の容積が増加するように下方に撓むことができ、その結果、インクがインク供給ライン１８から吸い込まれることになる。次いで、パルスの終わりの下向きの斜面上で、膜２０は、元の状態に逆戻りして撓むことになり、それによって、ダクト１６内のインクを圧縮し、その結果、音圧波が液体インクに生成される。この圧力波は、ノズル１２に接続されるダクト１６の端部に伝播し、インク液滴がノズルから放出されることになる。

ノズル１２のうちの単一のもの、関連するダクト１６、および関連する変換器２２によって構成されるアセンブリは、以下、吐出ユニット２８として表されることになる。

示された例においては、ノズル１２は、２つの平行な列に配置されており、図１の左側部分に断面で示されている単一のノズル３０を除いて、これらのノズルの各々が、もう１つの吐出装置２８の一部を形成する。吐出装置２８は、すべて同一の設計であり、２列のノズル１２に対して鏡面対称に配置されている。他の一般に知られている実施形態においては、２つの別々の平行な列のノズルは、事実上より高いノズル密度、すなわちより小さいノズルピッチを提供するように千鳥状に配置されることができ、それにより、より高い印刷解像度が可能になる。各吐出ユニット２８の電極２４および２６は、図１に概略的にのみ示されており、吐出ユニット２８のうちの単一のものについてのみ示されている信号線３４、３６を介して電子制御回路３２に接続される。

制御回路３２は、ＡＳＩＣ（特定用途向け集積回路）の形をとることができ、各吐出ユニットの変換器２２の電極に印加されるべき作動パルスを生成するように配置される。

変換器２２のうちの１つが、たとえば同じ吐出ユニットまたは隣接するユニットの以前の作動パルスに起因している可能性がある圧力変動を受ける場合は、これは、圧電材料の僅かな変形を引き起こすことになり、その結果、電圧が、電極２４、２６に誘起されることになる。この誘起電圧は、信号線３４および３６を介して制御回路３２にまた送信される検出信号を形成し、吐出ユニットの圧力変動を解析し、評価するために使用され得る。吐出ユニットが正常に動作する場合は、減衰する圧力波の特徴的パターンが、各作動パルスの後で検出されることになる。しかし、何らかの機能不良たとえばノズル１２の完全なもしくは部分的な閉塞、ノズルもしくはダクト内に閉じ込められている気泡、または変換器２２もしくは膜２０の機械的損傷が吐出ユニットに発生する場合は、これは、特徴的な形で圧力変動のパターンを変えることになる。したがって、検出された圧力変動を解析することによって、機能不良が発生しているということを述べることが可能であり、また、機能不良の性質を識別することが可能である。

制御回路３２は、プロセッサユニット４０の制御のもとで、作動パルスが送出されることになる吐出ユニット２８、および検出信号が受信されることになる吐出ユニットを決定するＦＰＧＡ３８（フィールドプログラマブルゲートアレイ）と通信する。このように、ノズルヘッド１０は、所望の画像がノズル面１４の下に進んでいる印刷基板（図示せず）上に形成されるように制御されることができ、吐出ユニット２８の機能は、印刷プロセス中に連続的に監視され得る。

図１の左側に断面で示されており、吐出ユニットの一部を形成しないノズル３０は、吐出ユニット２８のダクト１６と同じ形状を有するダミーダクト４２に接続され、その結果、インク供給ライン１８へのその接続が阻止されるという唯一の違いが生じる。ダミーダクト４２の１つの壁は、膜２０によって形成され、変換器２２のいずれかと同じ設計を有する基準変換器４４は、変換器２２がダクト１６と関連するのと同じ方法でダクト４２と関連する。基準変換器４４は、信号線５０、５２を介して制御回路３２に接続される電極４６および４８を有する。

吐出ユニット２８の変換器２２の電極２４および２６に誘起される電圧は、ダクト１６内の液体中の音波に依存することになるばかりでなく、たとえば、変換器の温度、変換器２２および膜２０の機械的特性における経時変化（エージング）、等を含むいくつかの他の要因によって影響されることになる。そのうえ、ノズルヘッド１０は、ノズルヘッドの固体材料内で振動を引き起こす外部衝撃を受ける場合もある。これらの振動は、膜２０を介して変換器に伝達されることになり、電極にノイズ信号を生じることになる。

しかしながら、これらの要因はすべて、本質的に同じ方法で基準変換器４４の電極４６、４８の電圧に影響を及ぼすことになる。ただし、ダミーダクト４２は液体インクを含まないので、基準変換器４４は、液体中を伝播する音波によって影響されないであろう。したがって、一方では変換器２２のうちの１つから、および他方では基準変換器４４から得られる検出信号が互いに減算されると、結果として生じる差は、液体中の圧力変動および音波、すなわち人が興味のある情報のみを表すことになるが、妨害要因はすべて本質的に相殺することになる。

図２は、電子的にコンデンサと見なし得る、変換器２２および基準変換器４４を含む制御回路３２のより詳細な回路図である。

制御回路３２は、波形発生器５４と、出力段５６と、本発明による減算回路として機能する検出回路５８とを含む。波形発生器５４は、ＦＰＧＡ３８の制御下に吐出ユニットの変換器２２の各々を個別的に制御するための作動パルスからなる波形を持つ制御信号を生成する。そのために、波形発生器は、各変換器２２のための個々の出力を有する。もちろん、実際には、ＦＰＧＡは、様々に適切に具体化され得る。たとえば、適切なソフトウェアコードを持つ汎用プロセッサユニットが使用され得る。

出力段５６は、各変換器２２の各々を、検出回路５８を介して直接的または間接的に波形発生器５４の対応する出力に接続するように配置されるスイッチ６０、６２、６４、６６のネットワークを含む。示される例においては、スイッチ６０および６２は閉じられおり、したがって、対応する変換器は、波形発生器５４に直接接続され、検出回路５８から切り離される。対照的に、スイッチ６４および６６は、直接接続が切断され、その代わりとして、波形発生器５４の出力が（スイッチ６４を介して）検出回路５８の入力に接続され、検出回路の出力が（スイッチ６６を介して）関連する変換器２２に接続される状態で示されている。

検出回路５８の入力は、その各々がコンデンサ６８および７０をそれぞれ含む２つの分岐に分割される。コンデンサ６８は、自己平衡回路７４を介して比較器７２の１つの入力に接続され、基準変換器４４の１つの電極４６にさらに接続される。コンデンサ７０は、比較器７２のもう１つの入力に、および閉スイッチ６６を介して、関連する変換器２２の１つの電極２４に接続される。変換器２２および基準変換器４４の他の電極２６および４８は接地される。

コンデンサ６８、７０、検出回路５８に接続される変換器２２、および基準変換器４４は、圧力波がダクト１６内に存在しない場合に比較器７２の出力がゼロになるように自己平衡回路７４によって平衡化されるブリッジ回路を構成する。アナログ出力は、Ａ／Ｄコンバータ７６でデジタル化され、デジタル化された出力は、ＦＰＧＡ３８を介してプロセッサユニット４０に送信され、さらに自己平衡回路７４にフィードバックされる。コンデンサ６８および７０は、ブリッジ平衡要素としてこの回路で機能し、また、それらが関連する周波数範囲においてブリッジ回路を平衡化させることができる限り、抵抗器または受動電子部品の組み合わせとして実施され得る。

比較器７２の両方の入力はコンデンサ６８および７０を介してスイッチ６４に接続されるので、スイッチ６４を介して出力される電圧信号のレベルが変化するのに、比較器の出力は変化しないことになる。

作動パルスがこの出力で発生すると、電圧パルスは、コンデンサ７０および閉スイッチ６６を介して変換器２２へ送信されることになり、関連するノズル１２が、始動されることになる。この時間中、およびまた作動パルスが再び落ちた時のその後の時間区間中も、この変換器２２からの検出信号は、検出回路５８によって絶えず測定されることになる。圧力変動がダクト２２内の液体に生じる場合は、電圧が変換器２２の電極２４に誘起されることになり、この電圧は、比較器７２の入力に不平衡を生じることになり、対応する検出信号は、Ａ／Ｄコンバータ７６からプロセッサユニット４０に送られることになる。プロセッサユニット４０は、解析回路として動作する。プロセッサユニット４０は、それ自体Ａ／Ｄコンバータ７６の出力を受信し、対応する吐出ユニットの液体内の検出された圧力変動に基づいて吐出ユニットの状態を決定するための所定の解析ルーチンを実行する。

スイッチ６０から６６は、プロセッサユニット４０によって、または制御回路３２の内部コントローラのいずれかによって制御されることができ、したがって、吐出ユニット２８すべての変換器２２は、所定の時間パターンに従って交互に測定回路２８に接続されることができ、したがって、吐出ユニットすべての機能が高い時間分解能で監視され得る。もちろん、吐出ユニットをより厳密に監視するために、２つ以上のダミーダクト４２および基準変換器４４を設けることが可能である。

図１に示される例においては、ダミーダクト４２は、インク供給ライン１８から切り離され、ノズル３０を介して開放大気に接続される。変更された実施形態においては、ダミーダクトは、ノズルではなく制振部材に接続され得る。これは、液滴を吐出しない限り、液体インクまたは適切な標準液体を常置的に含むことさえできる。その場合は、基準変換器４４は、常置の液体内に圧力波を発生させることになるが、これらの波は、固定パターンに従って制振部材によって減衰されることになる。減算は、固定パターンと吐出ユニット２８で観察されるパターンとの間の比較をもたらすことになる。

図２による液滴吐出装置を動作させることは、本発明による方法を実施することを含む。特に、検出回路５８に含まれるブリッジ回路は、吐出ユニットの変換器を作動させ、基準ユニットの基準変換器を作動させることによって吐出ユニットのうちの少なくとも１つ内の液体に圧力波を発生させる方法ステップが同時に実行される必要をもたらす。作動中の圧力変動が検出されることが要求される場合には、吐出ユニットのうちの少なくとも１つの変換器（２２）の検出信号から基準電気機械変換器の検出信号を減算するステップも同時に開始される必要がある。プロセッサユニット４０によって解析するステップは、できる限り速やかに開始されることができ、これは、プロセッサユニット４０によって実行されるべき所定の解析ルーチンに依存され得る。一実施形態においては、検出回路５８の出力は、そのうえコンピュータメモリなどに記憶され、後ほど解析され得る。

本発明の詳細な実施形態が本明細書において開示されているが、開示された実施形態は本発明の単なる例示であり、これはさまざまな形態で具体化され得ることを理解されたい。したがって、本明細書において開示された特定の構造的および機能的詳細は、限定すると解釈されるべきではなく、単に特許請求の範囲の基礎として、および実質的に任意の適切な詳細構造でさまざまに本発明を使用するように当業者を教示するための代表的基礎として解釈されるべきである。特に、個々の従属請求項に提示され説明されている特徴は組み合わせで使用されることができ、そのような請求項の任意の有利な組み合わせがこれと共に開示されている。

さらに、本明細書において使用される用語および語句は、限定することを意図するものではなく、むしろ、本発明の理解可能な説明を提供することを意図している。本明細書において使用される用語「１つの（ａ）」または「１つの（ａｎ）」は、１つまたは複数として定義される。本明細書において使用される用語複数（ｐｌｕｒａｌｉｔｙ）は、２つまたは２つより多いとして定義される。本明細書において使用される用語もう１つの（ａｎｏｔｈｅｒ）は、少なくとも第２のあるいはそれ以上として定義される。本明細書において使用される用語含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）および／または有する（ｈａｖｉｎｇ）は、包含する（すなわち、オープンランゲージ）として定義される。本明細書において使用される用語結合される（ｃｏｕｐｌｅｄ）は、必ずしも直接的ではないが、接続されるとして定義される。

このように本発明が説明されているが、同じものがさまざまな方法で変化され得ることは明らかであろう。このような変形は、本発明の趣旨および範囲からの逸脱と見なされるべきではなく、このような当業者に明らかであろう変更はすべて、次の特許請求の範囲内に含まれることが意図されている。

Claims (8)

1. 液滴吐出装置であって、
   ａ．複数の吐出ユニット（２８）を含むノズルヘッド（１０）であり、各吐出ユニットが、ノズル（１２）、ノズルに接続されたダクト（１６）であって、ダクト内の液体を受け入れるための液体供給流路に流体的に連通されるダクト（１６）、および、ノズル（１２）から液体の液滴を放出するようにダクト（１６）内の液体に圧力波を発生させるように配置される電気機械変換器（２２）を備える、ノズルヘッド（１０）と、
   ｂ．変換器（２２）に制御信号を印加し、変換器が圧力変動にさらされることに応じて変換器に生成される検出信号を受信するように配置される電子制御回路（３２）と
   を備え、
   ノズルヘッド（１０）は、基準ダクト（４２）であって、基準ダクトが液体を含まないままであるようにその基準ダクトが液体供給流路に流体的に連通されない、基準ダクト（４２）と、基準電気機械変換器（４４）とを持つ基準ユニットをさらに備え、
   制御回路（３２）が、
   吐出ユニット（２８）のうちの少なくとも１つの変換器（２２）の検出信号から基準電気機械変換器（４４）の検出信号を減算するための減算回路と、
   吐出ユニットの状態を決定するために減算回路の出力を解析するための解析回路と
   を備える、液滴吐出装置。
2. 吐出ユニット（２８）の変換器（２２）および基準変換器（４４）が圧電変換器である、請求項１に記載の装置。
3. 制御回路（３２）が、吐出ユニット（２８）のうちの前記少なくとも１つの変換器（２２）の静電容量および基準変換器（４４）の静電容量と共にブリッジ回路を構成する２つのブリッジ平衡要素（６８、７０）を備える、請求項１に記載の装置。
4. 制御回路（３２）が、ブリッジ回路に接続される比較器（７２）および平衡回路（７４）を含む、請求項３に記載の装置。
5. 制御回路（３２）が、吐出ユニットの変換器（２２）に印加されるべき制御信号を生成するための波形発生器（５４）を含み、前記波形発生器が、各個々の変換器（２２）のための別々の出力を有し、制御回路（３２）が、波形発生器（５４）の各出力を、検出信号を減算するために検出回路（５８）を介して直接的または間接的に関連する変換器（２２）に選択的に接続するために配置されるスイッチ（６０、６２、６４、６６）のネットワークを持つ出力段（５６）をさらに備える、請求項１に記載の装置。
6. 制御回路（３２）が、吐出ユニット（２８）のうちの前記少なくとも１つの変換器（２２）に、およびまた基準変換器（４４）に制御信号を印加するように配置される、請求項５に記載の装置。
7. 複数の吐出ユニットの各々が液体量を保持し、基準ユニットが液体を含まない、請求項１に記載の液滴吐出装置についての吐出ユニットの状態を決定する方法であって、
   ａ．吐出ユニットの変換器を作動させることによって吐出ユニットのうちの少なくとも１つ内の液体に圧力波を発生させるステップと、
   ｂ．基準ユニットの基準変換器を作動させるステップと、
   ｃ．吐出ユニット（２８）のうちの少なくとも１つの変換器（２２）の検出信号から基準電気機械変換器（４４）の検出信号を減算するステップと、
   ｄ．ステップｃから生じる信号を解析することによって吐出ユニットの状態を決定するステップと
   を含む方法。
8. ステップａ、ｂ、およびｃが、同時に開始され、ステップｃは、ステップａおよびｂが停止された後に一定時間の間継続される、請求項７に記載の方法。

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