JP4179226B2

JP4179226B2 - 液滴吐出装置および液滴吐出ヘッドの吐出異常検出方法

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Publication number: JP4179226B2
Application number: JP2004159365A
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Inventors: 修新川; 裕介坂上; 博之石川; 省吾中島
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Filing date: 2004-05-28
Publication date: 2008-11-12
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Description

本発明は、インクジェットプリンタなどの液滴吐出装置、およびその液滴吐出ヘッドの吐出異常検出方法に関するものである。

液滴吐出装置の１つであるインクジェットプリンタは、複数のノズルからインク滴（液滴）を吐出して所定の用紙上に画像形成を行う。インクジェットプリンタのインクジェットヘッド（印刷ヘッド）には、多数のノズルが設けられているが、インクの粘度の増加や、気泡の混入、塵や紙粉の付着などの原因によって、いくつかのノズルが目詰まりしてインク滴を吐出できない場合がある。ノズルが目詰まりすると、画像内にドット抜けが生じ、画質を劣化させる原因となる。

従来、このような不具合を解消するために、インク滴の吐出の有無を検査する装置として、インクを吐出するノズルを挟んで設けられた発光素子と受光素子により、その間をインク滴が通過することによる光の強弱の変化を検出し、各ノズルの動作を確認するものが知られている（例えば、特許文献１など参照）。
特開２００２−１９２７４０号公報

しかし、各ノズルのインク滴の吐出の有無を光学的に検出する従来装置では、以下のような不具合がある。
すなわち、光センサを設置するスペースが必要になる上に、微小なインク滴を高感度で検出するために、インク滴が受光領域を通過する検出位置や検出タイミングの精度を高くしなければならない。

そこで、本発明の目的は、上記の点に鑑み、光センサなどの特別なセンサを必要としない上に、比較的簡易な構成により、インク滴の吐出異常の検出精度の信頼性の向上を図ることができる液滴吐出装置、および液滴吐出ヘッドの吐出異常検出方法を提供することにある。

上記の課題を解決し本発明の目的を達成するために、各発明は、以下のように構成するようにした
すなわち、第１の発明は、振動板と、前記振動板を含みこの振動板を変位させる静電式アクチュエータと、内部に液体が充填され前記振動板の変位により内部の圧力が増減されるキャビティと、前記キャビティに連通し前記内部の圧力の増減により液体を液滴として吐出するノズルとを有する液滴吐出ヘッドと、前記静電式アクチュエータを駆動する所定の駆動信号を出力する駆動手段と、前記振動板の残留振動を前記静電式アクチュエータの端子電圧を用いて検出する残留振動検出手段と、前記静電式アクチュエータを前記駆動手段と接続させて前記駆動手段で前記静電式アクチュエータを駆動させ、前記静電式アクチュエータに充電電圧が残っている状態で、前記静電式アクチュエータを前記駆動手段から前記残留振動検出手段に接続を切り替える接続切り替え手段と、を備え、前記駆動手段が出力する駆動信号は、前記静電式アクチュエータを駆動する本来の駆動信号の他に、前記本来の駆動信号の出力後に出力される前記静電式アクチュエータを充電するためのアクチュエータ充電信号を含んでいる。

第２の発明は、第１の発明において、前記接続切り替え手段はアナログスイッチで構成され、ノズルの吐出異常の検出時には、前記アナログスイッチで前記静電式アクチュエータを前記駆動手段と接続させた状態で前記駆動手段から前記本来の駆動信号と前記アクチュエータ充電信号とが順次出力された後の所定のタイミングで前記アナログスイッチで前記静電式アクチュエータを前記駆動手段から前記残留振動検出手段側の接続に切り替えることにより前記静電式アクチュエータに電荷が残存するようにした。

第３の発明は、振動板と、前記振動板を含みこの振動板を変位させる静電式アクチュエータと、内部に液体が充填され前記振動板の変位により内部の圧力が増減されるキャビティと、前記キャビティに連通し前記内部の圧力の増減により液体を液滴として吐出するノズルとを有する液滴吐出ヘッドと、前記静電式アクチュエータを駆動する所定の駆動信号を出力する駆動手段と、前記振動板の残留振動を前記静電式アクチュエータの端子電圧を用いて検出する残留振動検出手段と、前記静電式アクチュエータを前記駆動手段と接続させて前記駆動手段で前記静電式アクチュエータを駆動させ、前記静電式アクチュエータに充電電圧が残っている状態で、前記静電式アクチュエータを前記駆動手段から前記残留振動検出手段に接続を切り替える接続切り替え手段と、を備え、前記接続切り替え手段は、前記静電式アクチュエータと前記駆動手段との接続、または前記静電式アクチュエータと前記残留振動検出手段との接続を選択的に行うとともに、前記静電式アクチュエータと直列に接続される抵抗素子を含んでいる。
第４の発明は、第３の発明において、ノズルの吐出異常の検出時には、前記接続切り替え手段は、前記静電式アクチュエータを前記駆動手段と接続させ、この状態で前記駆動手段は駆動信号を前記抵抗素子を介して前記静電式アクチュエータに出力させることにより前記抵抗素子の抵抗値と前記静電式アクチュエータの静電容量値とで定まる時定数により前記静電式アクチュエータを充放電させ、さらに、前記接続切り替え手段は、前記駆動信号の出力終了のタイミングで前記静電式アクチュエータを前記駆動手段から前記残留振動検出手段側の接続に切り替えることにより前記静電式アクチュエータに電荷が残存するようにした。

第５の発明は、第３または第４の発明において、前記接続切り替え手段はアナログスイッチで構成され、前記抵抗素子は前記アナログスイッチの導通時の抵抗である。
第６の発明は、第１乃至第５の発明のうちのいずれかにおいて、前記残留振動検出手段は、前記静電式アクチュエータに残存した電荷と、前記振動板の変位によって変化する前記静電式アクチュエータの静電容量とから、前記静電式アクチュエータの充電電圧の変化を誘起させ、誘起された前記充電電圧の変化から前記振動板の残留振動を検出するようにした。

第７の発明は、振動板を含む静電式アクチュエータを駆動信号で駆動して前記振動板を振動することにより、キャビティ内部の液体を液滴としてノズルから吐出する液滴吐出ヘッドの吐出異常検出方法であって、前記駆動信号は、本来の駆動信号の他に、前記本来の駆動信号の出力後に出力されるアクチュエータ充電信号を含み、前記静電式アクチュエータに前記本来の駆動信号を供給したときに、前記振動板を振動することにより、前記キャビティ内部の液体を液滴として前記ノズルから吐出する動作を行い、前記静電式アクチュエータに前記アクチュエータ充電信号を供給したときに、前記静電式アクチュエータに残存した電荷と、前記振動板の変位によって変化する前記静電式アクチュエータの静電容量とから、前記静電式アクチュエータの充電電圧の変化を誘起させ、誘起された前記充電電圧の変化から前記振動板の残留振動を検出し、検出された前記残留振動に基づいて、前記液滴の吐出異常を検出するものである。

第８の発明は、振動板を含む静電式アクチュエータを駆動信号で駆動して前記振動板を振動することにより、キャビティ内部の液体を液滴としてノズルから吐出する液滴吐出ヘッドの吐出異常検出方法であって、前記駆動信号を抵抗素子を介して前記静電式アクチュエータに印加させて、前記静電式アクチュエータを充放電させ、放電の完了前に前記静電式アクチュエータに残存する電荷と、前記振動板の変位によって変化する前記静電式アクチュエータの静電容量とから、前記静電式アクチュエータの充電電圧の変化を誘起させ、誘起された前記充電電圧の変化を前記抵抗素子を介して取り出して前記振動板の残留振動を検出し、検出された前記残留振動に基づいて、前記液滴の吐出異常を検出するものである。

このような構成からなる本発明によれば、光センサなどの特別なセンサを必要としない上に、比較的簡易な構成により、インク滴の吐出異常の検出精度の信頼性の向上を図ることができる。

以下、図面を参照して本発明の液滴吐出装置、および液滴吐出ヘッドの吐出異常検出方法の実施形態について説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態における液滴吐出装置の一種である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およ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、かつ歯付きベルト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。

さらに、キャリッジ４にはエンコーダ１０が取り付けられ、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、１２は、ヘッドユニット２とシステムコントローラなどと電気的な接続を行うケーブルである。１３は、後述の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る。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の回転動作が次のように制御される。すなわち、加速、一定速度、減速、反転、加速、一定速度、減速、反転・・・というように制御される。
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、そのインク滴により所定の文字や画像が記録される。

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２および図３を参照して説明する。
このヘッドユニット２は、図２に示すように、多数のインクジェットヘッド（液滴吐出ヘッド）２０を備え、各インクジェットヘッド２０は静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２に示すように、振動板２１と、この振動板２１を含み振動板２１を変位させる静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に連通しキャビティ２３内の圧力の増減によりインクを液滴として吐出するノズル２４とを少なくとも備えている。

さらに詳述すると、ヘッドユニット２は、中央のシリコン基板２５を挟んで、上側にシリコン製のノズル基板２６と、下側にガラス基板２７とが積層された３層構造からなる。中央のシリコン基板２５と上側のノズル基板２６との間には、キャビティ２３と、これに連通するリザーバ２８とが区画形成されている。また、リザーバ２８は、ガラス基板２７に設けたインク取り入れ口２９と連通している。

さらに、中央のシリコン基板２５により形成されキャビティ２３の底板として機能する振動板２１と、ガラス基板２７上に設けた個別電極３０との間には、空隙３１が形成されている。そして、振動板２１は、共通電極３２に接続されている。
従って、静電式アクチュエータ２２は、その主要部が振動板２１と、個別電極３０と、これらの間に形成される空隙３１とにより形成され、個別電極３０と共通電極３２との間に印加される駆動信号により駆動されるようになっている。

なお、図２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ごとのノズル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，Ｍ，Ｃ，Ｋ）に適用した場合のノズル２４の配列パターンを示している。
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）、いわゆる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紙送りローラなどと摩擦接触した際に発生しやすく、記録紙の一部からなり繊維状またはその集合体のものを意味する。
次に、本発明のインク滴の吐出異常の検出原理について、図２、図４、および図５を参照して説明する。
図２に示す静電式アクチュエータ２２に後述の駆動回路から駆動信号が供給されると、振動板２１が個別電極３０側に静電吸引力によって吸引され、弾性エネルギーが蓄えられ、駆動信号の供給がとまると弾性エネルギーが解放される。このとき、振動板２１は個別電極３０側とは反対側へ戻され、キャビティ２３内の圧力が増し、さらに減少する。この結果、キャビティ２３内を満たすインクの一部が、キャビティ２３に連通しているノズル２４からインク滴として吐出される。

この振動板２１の一連の動作により、ノズル２４、インク取り入れ口２９、またはインクの粘度などによる音響抵抗ｒと、インクの流路内のインク重量によるイナータンスｍと、振動板２１のコンプライアンスｃによって決定される固有振動周波数で振動板２１が自由振動を起こす。以下、この振動板２１による自由振動を残留振動という。
図４に、振動板２１の残留振動を想定した単振動の計算モデルを示す。この計算モデルに音圧Ｐを与えたときのステップ応答を体積速度ｕについて計算すると、次式を得ることができる。

ここで、図２に示すインクジェットヘッド２０が正常にインクを吐出し、音響抵抗ｒ、イナータンスｍ、およびコンプライアンスｃに変化がなければ、振動板２１の残留振動は常に一定の波形となる。

しかし、インクの吐出が不良でドット抜けが発生する場合には、振動板２１の残留振動の波形は正常時とは異なるものとなる。図５に、残留振動の検出波形の実験結果の一例を示す。この実験結果と、単振動の計算モデルから以下のことがわかった。
（１）気泡がインクの流路や、ノズルの先端に詰まった場合には、気泡が混入した分のインク重量が減ってイナータンスｍが減少し、気泡によりノズル径が大きくなった状態と等価となり音響抵抗ｒが減少し、周波数が高くなるという特徴的な残留振動波形として検出できる（図５の「気泡混入」参照）。
（２）ノズル部のインクが乾燥して吐出しなくなった場合には、その乾燥によりノズル付近のインクの粘性が増加し、音響抵抗ｒが増大し、過減衰になるという特徴的な残留振動波形として検出できる（図５の「乾燥」参照）。
（３）紙粉やゴミがノズル面に付着した場合には、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ｍが増加する。また、ノズルに付着した紙粉の繊維によって音響抵抗ｒが増大し、正常吐出の周期と比べて周期が大きくなる（周波数が低くなる）という特徴的な残留振動波形として検出することができる（図５の「紙粉」参照）。

以上から、振動板２１の残留振動の差異によってインクジェットヘッド２０のインク滴の吐出異常を検出するとともに、その目詰まりの原因を特定することができる。
本発明は、このような振動板２１の残留振動を検出することにより、インクジェットヘッド２０のインク滴の吐出異常（ノズルの吐出異常）を検出するようにしたものであり、その残留振動の検出原理について、図６を参照して説明する。

いま、図６に示すように、図２に示す静電式アクチュエータ２２を個別電極３０と振動板２１とを平行な平板とするコンデンサと考えると、振動板２１の残留振動によってコンデンサのギャップ（空隙）が変化し、そのコンデンサの静電容量Ｃ（ｘ）は（４）式のように変化する。
一方、静電式アクチュエータ２２と後述の駆動回路とを切り離した直後において、すなわち駆動信号の供給を止めた直後において、コンデンサには電荷Ｑが残存している。このため、コンデンサの充電電圧Ｖｃは、（５）式に示すようにコンデンサの静電容量Ｃの変化に応じて変化し、振動板２１の機械的な残留振動をその電圧変化として検出することができる。

ここで、Ｓは振動板２１および個別電極３０の面積に対応するコンデンサの平行平板の面積、ｇはその両者の間の距離（初期ギャップ）、εは空隙３１の誘電率、ｘは振動板２１の残留振動によって生じる振動板２１の基準位置からの変位量である。

次に、このような残留振動の検出原理に基づき、インクジェットヘッド２０のインク滴の吐出異常（ノズルのドット抜け）の検出が必要なときに、その残留振動の検出を行うようにした本発明の第１実施形態について、図２および図７〜図１０を参照して説明する。
この第１実施形態は、図７に示すように、静電式アクチュエータ２２と、駆動手段である駆動回路４１と、残留振動検出手段である残留振動検出回路４２と、接続切り替え手段である切り替えスイッチ４３と、を少なくとも備えている。

静電式アクチュエータ２２は、図２に示すように各インクジェットヘッド２０ごとに設けられ、上記のように主要部が、振動板２１と、個別電極３０と、これらの間に形成される空隙３１とにより形成されるものであり、等価的にコンデンサで表現できる。そこで、図７では静電式アクチュエータ２２を、静電容量がＣからなるコンデンサで表現している。そのコンデンサは、一方の電極が切り替えスイッチ４３の端子に接続され、他方の電極が接地されている。

駆動回路４１は、静電式アクチュエータ２２を駆動する駆動信号（駆動電圧）を出力する回路であり、インク滴による画像形成時には通常の駆動信号を出力し、インク滴の吐出異常の検出時には、後述するような駆動信号（図１１（Ａ）参照）を出力するようになっている。
残留振動検出回路４２は、インク滴の吐出異常の検出時に、切り替えスイッチ４３の切り替え接点が残留振動検出回路４２側に切り替えられ、静電式アクチュエータ２２の等価コンデンサの充電電圧Ｖｃの変化を検出し、これによりその振動板２１の残留振動を検出するようになっている。

すなわち、この第１実施形態では、静電式アクチュエータ２２に残存した電荷と、振動板２１の変位によって変化する静電式アクチュエータ２２の静電容量とから、静電式アクチュエータ２２の充電電圧の変化が誘起される。そこで、残留振動検出回路４２は、その誘起された静電式アクチュエータ２２の充電電圧の変化から振動板２１の残留振動を検出するようになっている。

切り替えスイッチ４３は、通常は図７に示すようにその接点が静電式アクチュエータ２２と駆動回路４１とを接続させた状態にあり、インク滴の吐出異常の検出を行う場合に、システムコントローラ（図示せず）から駆動／検出切り替え信号Ｓ１が出力されるので、これにより、その接点が駆動回路４１側から残留振動検出回路４２側に切り替わるスイッチである。

次に、図７に示す駆動回路４１の具体的な構成について、図８を参照して説明する。
駆動回路４１は、図８に示すように、駆動電圧発生回路５１と、ＮＰＮ型のトランジスタＴｒ１およびＰＮＰ型のトランジスタＴｒ２を組み合わせた電流増幅回路と、から構成される。
トランジスタＴｒ１は、コレクタが図示しない定電圧電源（駆動電源）に接続され、ベースが駆動電圧発生回路５１の出力側に接続され、かつ、エミッタが切り替えスイッチ４３の端子に接続されている。これにより、トランジスタＴｒ１は、駆動電圧発生回路５１からの駆動信号に基づいて導通し、駆動電圧が静電式アクチュエータ２２に供給されるようになっている。

また、トランジスタＴｒ２は、エミッタがトランジスタＴｒ１のエミッタに接続されるとともに切り替えスイッチ４３の端子に接続され、ベースが駆動電圧発生回路５１の出力側に接続され、かつ、コレクタがグランドに接続されている。これにより、トランジスタＴｒ２は、駆動電圧発生回路５１からの駆動信号に基づいて導通し、静電式アクチュエータ２２の電荷を放電させるようになっている。

次に、図７に示す残留振動検出回路４２の具体的な構成例について、図９を参照して説明する。
残留振動検出回路４２は、図９に示すように、交流増幅器５２と、比較器５３と、基準電圧発生回路５４とを備えている。
交流増幅器５２は、静電式アクチュエータ２２の発生電圧、すなわち振動板２１の機械的な変化によって発生する残留振動波形の交流成分を増幅するものである。このため、交流増幅器５２は、その静電式アクチュエータ２２の発生電圧中に含まれる直流成分をカットするコンデンサ５２１と、そのコンデンサ５２１で直流成分がカットされた交流成分を増幅する増幅器５２２とからなる。

比較器５３は、交流増幅器５２からの出力電圧を、基準電圧発生回路５４が発生する基準電圧Ｖｒｅｆと比較し、その比較結果に応じてパルス波形の電圧を残留振動波形として出力するものである。基準電圧発生回路５４は、比較器５３に供給する基準電圧Ｖｒｅｆを発生する回路であり、その発生する基準電圧Ｖｒｅｆは固定値でも良いが、可変できかつ任意の値に設定できるようにしても良い。

次に、図７に示す切り替えスイッチ４３の具体的な構成について、図１０を参照して説明する。
切り替えスイッチ４３は、図１０に示すように、駆動回路４１と静電式アクチュエータ２２との接続を行うためのアナログスイッチ４３１と、残留振動検出回路４２と静電式アクチュエータ２２との接続を行うためのアナログスイッチ４３２とから構成される。

ここで、切り替えスイッチ４３としてアナログスイッチ４３１、４３２を使用するのは、静電式アクチュエータ２２の駆動電流は小さいために、そのオン抵抗があっても静電式アクチュエータ２２の駆動動作に特に問題がないからである。
アナログスイッチ４３１は、対向して接続された２つのトランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２とインバータＩＮＶとから構成される。そして、一方のトランジスタＦＥＴ１のゲートにはインバータＩＮＶを介して、他方のトランジスタＦＥＴ２のゲートには直接、図示しないシステムコントローラからの駆動／検出切り替え信号Ｓ１が入力されるようになっている。さらに、双方のトランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２のソースには、駆動回路４１から出力される駆動信号が入力されるようになっている。

アナログスイッチ４３２は、対向して接続された２つのトランジスタＦＥＴ３，ＦＥＴ４から構成される。そして、一方のトランジスタＦＥＴ３のゲートには直接、他方のトランジスタＦＥＴ４のゲートにはインバータＩＮＶを介して、システムコントローラからの駆動／検出切り替え信号Ｓ１が入力されるようになっている。さらに、双方のトランジスタＦＥＴ３，ＦＥＴ４のソースは、残留振動検出回路４２の入力側に接続されるようになっている。

また、静電式アクチュエータ２２の等価コンデンサは、一方の電極がトランジスタＦＥＴ１，ＦＥＴ２，ＦＥＴ３，ＦＥＴ４の各ドレインに接続され、他方の電極がグランドに接続されている。
このような構成からなる切り替えスイッチ４３では、アナログスイッチ４３１により駆動回路４１と静電式アクチュエータ２２とが接続されている間は、アナログスイッチ４３２により残留振動検出回路４２と静電式アクチュエータ２２とは切り離されるように動作する。逆に、アナログスイッチ４３２により残留振動検出回路４２と静電式アクチュエータ２２とが接続されている間は、アナログスイッチ４３１により駆動回路４１と静電式アクチュエータ２２とは切り離されるように動作する。

なお、アナログスイッチ４３１、４３２は、導通方向に方向性がないので、静電式アクチュエータ２２と、駆動回路４１または残留振動検出回路４２との接続は、ソース側、ドレイン側のいずれであっても良い。
次に、このような構成からなる第１実施形態の動作例について、図７、図１１、および図１２などを参照して説明する。

まず、この第１実施形態がインクジェットヘッド２０のノズル２４からのインク滴の吐出により記録紙に画像形成を行う場合の動作について説明する。
このときには、図７に示すように、図示しないシステムコントローラから出力される駆動／検出切り替え信号Ｓ１は「Ｌレベル」のままである。このため、切り替えスイッチ４３の接点は図７の位置のままとなり、駆動回路４１と静電式アクチュエータ２２とが接続されたままとなる。そして、この状態で、駆動回路４１からは通常の駆動信号が出力されるので、この駆動信号によって静電式アクチュエータ２２が駆動され、インクジェットヘッド２０のノズル２４から記録紙にインク滴が吐出されて画像形成が行われる。

次に、この第１実施形態がインクジェットヘッド２０のノズル２４の吐出異常の検出を行い、その際に行う振動板２１の残留振動の検出動作について説明する。
なお、この検出は、電源の投入時、または大量に記録紙に画像形成し所定ページ数の画像形成の終了ごとに行うというように、必要に応じてその都度行うものである。
このときには、図１１（Ｃ）に示すように、システムコンロトーラから出力される駆動／検出切り替え信号Ｓ１は、駆動回路側の接続期間Ｔ１に「Ｌレベル」になる。このため、期間Ｔ１では、切り替えスイッチ４３はその接点が図７に示す状態になり、駆動回路４１と静電式アクチュエータ２２とが接続される（ステップＳ１）。

この状態において、駆動回路４１が例えば図１１（Ａ）に示すような駆動信号を出力する。その駆動信号は、図示のように、インク滴吐出のための本来の駆動電圧Ｖ１の他に、振動板２１の残留振動を検出するために、静電式アクチュエータ２２を充電させるためのアクチュエータ充電電圧Ｖ２を含んでいる。
さらに具体的には、駆動回路４１から出力される駆動信号は、液滴吐出用として出力される駆動電圧Ｖ１と、この出力の直後に連続して出力されるアクチュエータ充電電圧Ｖ２とからなる。

このため、駆動回路４１は、まず駆動電圧Ｖ１を出力し（ステップＳ２）、それに引き続いてアクチュエータ充電電圧Ｖ２を出力する（ステップＳ３）。
このため、駆動回路４１からの駆動電圧Ｖ１の出力に基づき、静電式アクチュエータ２２の端子電圧Ｖｃは、例えば図１１（Ｂ）に示すようになる。この結果、その端子電圧Ｖｃによって振動板２１が撓み、キャビティ２３内の容積が拡大縮小する。このとき、キャビティ２３内に発生する圧力により、キャビティ２３内を満たすインクの一部が、ノズル２４からインク滴として吐出される（図２参照）。

このとき、駆動電圧Ｖ１が急激に低下するので、これに伴って端子電圧Ｖｃも急激に低下するが（図１１（Ｂ）参照）、駆動電圧Ｖ１の出力に引き続いてアクチュエータ充電電圧Ｖ２が出力される。このため、そのアクチュエータ充電電圧Ｖ２に応じて端子電圧Ｖｃが所定値となり、その端子電圧Ｖｃによって時刻ｔ１〜時刻ｔ２の充電期間Ｔ２に静電式アクチュエータ２２が充電される。

そして、図１１に示すように時刻ｔ２になって、その静電式アクチュエータ２２の充電期間Ｔ２が終了すると（ステップＳ４）、システムコントローラからの駆動／検出切り替え信号Ｓ１が「Ｌレベル」から「Ｈレベル」に切り替わり、検出期間Ｔ３に移行する（図１１（Ｃ）参照）。この結果、切り替えスイッチ４３の接点が図７の位置から反対側に切り替わり、駆動回路４１が静電式アクチュエータ２２から切り離される（ステップＳ５）。

このとき、静電式アクチュエータ２２には、充電期間Ｔ２の充電により電荷Ｑが残存している（ステップＳ６）。このため、静電式アクチュエータ２２に係るコンデンサの充電電圧（端子電圧）Ｖｃは、図１１（Ｂ）に示すようにそのコンデンサの静電容量Ｃの変化に応じて変化し、振動板２１の機械的な残留振動をその充電電圧Ｖｃの電圧変化として検出することができる。

また、このとき、切り替えスイッチ４３の接点の切り替え動作により、静電式アクチュエータ２２が残留振動検出回路４２と接続される（ステップＳ７）。このため、そのコンデンサの充電電圧（端子電圧）Ｖｃが残留振動検出回路４２に供給され、残留振動検出回路４２は、振動板２１の残留振動に応じた残留振動波形を出力する（ステップＳ８）。
ここで、検出期間Ｔ３は、振動板２１の残留振動が確実に検出できる期間とし、任意に設定できるものとする。

そして、図１１（Ｃ）に示すように、検出期間Ｔ３が経過して、残留振動検出回路４２による振動板２１の残留振動の検出が終了すると（ステップＳ９）、すなわち、時刻ｔ３になると、システムコントローラからの駆動／検出切り替え信号Ｓ１が「Ｈレベル」から「Ｌレベル」に切り替わる。
その駆動／検出切り替え信号Ｓ１の「Ｈレベル」から「Ｌレベル」の変化により、切り替えスイッチ４３の接点が図７の位置に戻り、駆動回路４１が静電式アクチュエータ２２と接続される（ステップＳ１０）。これにより、静電式アクチュエータに残存する電荷Ｑは、駆動回路４１を介して放電される。

なお、上記のように残留振動検出回路４２が検出した残留振動波形は、その後段に接続される波形判定回路（図示せず）に供給される。すると、波形判定回路は、その残留振動波形に基づいて、インク滴の吐出異常の有無を判定し、かつその異常の内容（インクの目詰まりの原因）を特定する。
以上説明したように、本発明の第１実施形態によれば、インクジェットヘッド２０のノズル２４の吐出異常の検出を行う場合には、インク滴の吐出動作後に、静電式アクチュエータ２２に電荷を蓄積させ、これにより振動板２１の残留振動の変化を検出し、その吐出異常（ドット抜け）を検出するようにした。

このため、この第１実施形態によれば、光センサなどの特別なセンサを必要としない上に、比較的簡易な構成により、インク滴の吐出異常の検出精度の信頼性の向上を図ることができる。
（第２実施形態）
次に、上記のような残留振動の検出原理に基づき、インクジェットヘッド２０のインク滴の吐出異常の検出が必要なときに、その残留振動の検出を行うようにした本発明の第２実施形態について、図２および図１３を参照して説明する。

この第２実施形態は、図１３に示すように、静電式アクチュエータ２２と、駆動手段である駆動回路４１Ａと、残留振動検出手段である残留振動検出回路４２と、接続切り替え手段である切り替えスイッチ４３と、この切り替えスイッチ４３に含まれ静電式アクチュエータ２２と直列に接続される抵抗素子４４と、を少なくとも備えている。
静電式アクチュエータ２２は、図２に示すように各インクジェットヘッド２０ごとに設けられ、上記のように主要部が、振動板２１と、個別電極３０と、これらの間に形成される空隙３１とにより形成されるものであり、等価的にコンデンサで表現できる。そこで、図１３では静電式アクチュエータ２２を、静電容量がＣからなるコンデンサで表現している。そのコンデンサは、一方の電極が抵抗素子４４を介して切り替えスイッチ４３の端子に接続され、他方の電極が接地されている。

駆動回路４１Ａは、静電式アクチュエータ２２を駆動する駆動信号（駆動電圧）を出力する回路であり、インク滴による画像の形成時、およびインク滴の吐出異常の検出時には、後述のような駆動信号（図１４（Ａ）参照）をそれぞれ出力するようになっている。
ここで、駆動回路４１Ａは、図８に示す第１実施形態の駆動回路４１と基本的に同様に構成される。しかし、インク滴の吐出異常の検出時に生成出力される駆動信号は、駆動回路４１の場合には図１１（Ａ）に示すような波形となり、駆動回路４１Ａの場合には図１４（Ａ）に示すような波形となり、その両者は異なる。このため、第２実施形態の駆動回路４１Ａでは、図８に示す駆動回路４１と駆動電圧発生回路５１の機能の点で異なる。

切り替えスイッチ４３は、通常は図１３に示すようにその接点が静電式アクチュエータ２２と駆動回路４１Ａとを接続させた状態にあり、インク滴の吐出異常の検出を行う場合に、システムコントローラ（図示せず）から駆動／検出切り替え信号Ｓ２が出力されるので、これにより、その接点が駆動回路４１Ａ側から残留振動検出回路４２側に切り替わるスイッチである。

ここで、切り替えスイッチ４３は、図１０に示す第１実施形態の切り替えスイッチ４３と同様に構成される。
抵抗素子４４は、その一端側が切り替えスイッチ４３に接続され、その他端側が静電式アクチュエータ２２の一方の電極に接続されている。このため、静電式アクチュエータ２２は、駆動回路４１Ａからの駆動信号に基づいて抵抗素子４４を介して充放電動作を行い、その充放電の速度は静電式アクチュエータ２２の静電容量値と抵抗素子４４の抵抗値とによる時定数により決まる。従って、抵抗素子４４は、静電式アクチュエータ２２の端子電圧Ｖｃを駆動回路４１Ａの駆動信号よりも僅かに遅延させる機能を持っている（図１４（Ａ）（Ｂ）参照）。

ここで、静電式アクチュエータ２２の駆動電流は小さいので、抵抗素子４４を設けても静電式アクチュエータ２２の駆動動作に問題はない。
抵抗素子４４の抵抗値は、後述のように残留振動を検出するタイミングで、残留振動検出回路４２が残留振動波形を検出可能な電荷が静電式アクチュエータ２２に残存し得る時定数となるように、静電式アクチュエータ２２の静電容量Ｃとの関係であらかじめ設定される。

なお、切り替えスイッチ４３を、図１０に示すようなアナログスイッチで構成する場合には、抵抗素子４４はそのアナログスイッチの導通時の抵抗に置き換えるようにしても良い。また、抵抗素子４４は、上記のように切り替えスイッチ４３に含ませるようにしても良いが、要するに切り替えスイッチ４３と静電式アクチュエータ２２との間に直列に接続するようにすれば良い。

残留振動検出回路４２は、インク滴の吐出異常の検出時に、駆動／検出切替え信号Ｓ２に基づいて切り替えスイッチ４３の切り替え接点が残留振動検出回路４２側に切り替えられ、静電式アクチュエータ２２の等価コンデンサの充電電圧Ｖｃの変化を検出し、これによりその振動板２１の残留振動を検出するようになっている。
すなわち、この第２実施形態では、静電式アクチュエータ２２に後述のように残存する電荷と、振動板２１の変位によって変化する静電式アクチュエータ２２の静電容量とから、静電式アクチュエータ２２の充電電圧の変化が誘起される。そこで、残留振動検出回路４２は、その誘起された静電式アクチュエータ２２の充電電圧の変化から振動板２１の残留振動を検出するようになっている。

ここで、残留振動検出回路４２は、図９に示す第１実施形態の残留振動検出回路４２と同様に構成される。
次に、このような構成からなる第２実施形態の動作例について、図１３〜図１５を参照して説明する。
まず、この第２実施形態がインクジェットヘッド２０のノズル２４からのインク滴の吐出により記録紙に画像形成を行う場合の動作について説明する。

このときには、図１３に示すように、図示しないシステムコントローラから出力される駆動／検出切り替え信号Ｓ２は「Ｌレベル」のままである。このため、切り替えスイッチ４３の接点は図１３の位置に固定され、駆動回路４１Ａと静電式アクチュエータ２２とが接続されたままとなる。そして、この状態で、駆動回路４１Ａからは図１４（Ａ）で示すような駆動信号が出力されるので、この駆動信号によって静電式アクチュエータ２２が駆動され、インクジェットヘッド２０のノズル２４から記録紙にインク滴が吐出されて画像形成が行われる。

次に、この第２実施形態がインクジェットヘッド２０のノズル２４の吐出異常の検出を行い、その際に行う振動板２１の残留振動の検出動作について説明する。
なお、この検出は、電源の投入時、または大量に記録紙に画像形成し所定ページ数の画像形成の終了ごとに行うというように、必要に応じてその都度行うものである。
このときには、図１４（Ｃ）に示すように、システムコンロトーラから出力される駆動／検出切り替え信号Ｓ２は、駆動回路４１Ａ側の接続期間Ｔ１に「Ｌレベル」になる。このため、期間Ｔ１では、切り替えスイッチ４３はその接点が図１３に示す状態になり、駆動回路４１Ａと静電式アクチュエータ２２とが接続される（ステップＳ１１）。

この接続の結果、駆動回路４１Ａにより静電式アクチュエータ２２は所定の時定数で充放電動作が可能となる。換言すると、静電式アクチュエータ２２の充放電動作の際の時定数が設定されたことになる（ステップＳ１２）。
この状態において、駆動回路４１Ａは、時刻ｔ１において例えば図１４（Ａ）に示すような駆動信号を出力し、これにより静電式アクチュエータ２２には駆動電圧が印加される（ステップＳ１３）。

この結果、静電式アクチュエータ２２の両端の端子電圧Ｖｃは、図１４（Ｂ）に示すように充電により増加していき、その後に放電により減少していく。すなわち、静電式アクチュエータ２２は、所定の時定数により充放電が行われる（ステップＳ１４）。その時定数、すなわち静電式アクチュエータ２２の両端の端子電圧Ｖｃの充放電の速度は、静電式アクチュエータ２２の静電容量値と抵抗素子４４の抵抗値とにより決まる。

このため、静電式アクチュエータ２２の両端の端子電圧Ｖｃの波形は、駆動回路４１Ａからの駆動信号の波形に対して僅かに遅れた状態になる（図１４（Ａ）および（Ｂ）参照）。
このように、静電式アクチュエータ２２に発生する端子電圧Ｖｃによって振動板２１が撓み、キャビティ２３内の容積が拡大縮小する。このとき、キャビティ２３内に発生する圧力により、キャビティ２３内を満たすインクの一部が、ノズル２４からインク滴として吐出される（図２参照）。

そして、図１４に示すように時刻ｔ２になり、駆動回路４１Ａからの駆動信号の出力が終了すると（ステップＳ１５）、システムコントローラからの駆動／検出切り替え信号Ｓ２が「Ｌレベル」から「Ｈレベル」に切り替わり、検出期間Ｔ２に移行する（図１４（Ｃ）参照）。この結果、切り替えスイッチ４３の接点が図１３の位置から反対側に切り替わり、駆動回路４１Ａが抵抗素子４４および静電式アクチュエータ２２から切り離される（ステップＳ１６）。

このとき、静電式アクチュエータ２２は、その端子電圧Ｖｃがグランドレベルにならずに、充電電荷が残存している（ステップＳ１７）。このため、静電式アクチュエータ２２に係るコンデンサの充電電圧（端子電圧）Ｖｃは、図１４（Ｂ）に示すようにそのコンデンサの静電容量Ｃの変化に応じて変化し、振動板２１の機械的な残留振動をその充電電圧Ｖｃの電圧変化として検出することができる。

また、このときには、切り替えスイッチ４３の接点の切り替え動作により、静電式アクチュエータ２２が残留振動検出回路４２と接続される（ステップＳ１８）。このため、そのコンデンサの充電電圧（端子電圧）Ｖｃが残留振動検出回路４２に供給され、残留振動検出回路４２は、振動板２１の残留振動に応じた残留振動波形を出力する（ステップＳ１９）。

ここで、検出期間Ｔ２は、振動板２１の残留振動が確実に検出できる期間とし、任意に設定できるものとする。
そして、図１４（Ｃ）に示すように、検出期間Ｔ２が経過して、残留振動検出回路４２による振動板２１の残留振動の検出が終了すると（ステップＳ２０）、すなわち、時刻ｔ３になると、システムコントローラからの駆動／検出切り替え信号Ｓ２が「Ｈレベル」から「Ｌレベル」に切り替わる。

その駆動／検出切り替え信号Ｓ２の「Ｈレベル」から「Ｌレベル」の変化により、切り替えスイッチ４３の接点が図１３の位置に戻り、駆動回路４１Ａが静電式アクチュエータ２２と接続される（ステップＳ２１）。これにより、静電式アクチュエータ２２に残存する電荷Ｑは、駆動回路４１Ａを介して放電される。
なお、上記のように残留振動検出回路４２が検出した残留振動波形は、その後段に接続される波形判定回路（図示せず）に供給される。すると、波形判定回路は、その残留振動波形に基づいて、インク滴の吐出異常の有無を判定し、かつその異常の内容（インクの目詰まりの原因）を特定する。

以上説明したように、本発明の第２実施形態によれば、インクジェットヘッド２０のノズル２４の吐出異常の検出を行う場合には、インク滴の吐出動作後に、静電式アクチュエータ２２に電荷を残存させ、これにより振動板２１の残留振動の変化を検出し、その吐出異常（ドット抜け）を検出するようにした。
このため、この第２実施形態によれば、第１実施形態と同様に、光センサなどの特別なセンサを必要としない上に、比較的簡易な構成により、インク滴の吐出異常の検出精度の信頼性の向上を図ることができる。

本発明の第１実施形態における液滴吐出装置の一種であるインクジェットプリンタの概略構成を示す平面図である。図１に示すインクジェットプリンタのヘッドユニットの構成を示す断面図である。図２に示すヘッドユニットのノズル基板の構成を示す平面図である。図２に示す振動板の残留振動を想定した単振動の計算モデルを示す回路図である。図２に示す振動板の残留振動の検出波形の実験結果の一例を示す図であり、正常の場合と異常の場合についてそれぞれ示す。本発明に係る振動板の残留振動の検出原理を説明する図である。本発明の第１実施形態の構成を示すブロック図である。図７に示す駆動回路の具体的な構成を示す回路図である。図７に示す残留振動検出回路の具体的な構成を示すブロック図である。図７に示す切り替えスイッチをアナログスイッチで構成した場合の回路図である。図７に示す第１実施形態の各部の波形例を示す波形図である。図７に示す第１実施形態が残留振動の検出を行う場合に、その検出動作を説明するフローチャートである。本発明の第２実施形態の構成を示すブロック図である。図１３に示す第２実施形態の各部の波形例を示す波形図である。図１３に示す第２実施形態が残留振動の検出を行う場合に、その検出動作を説明する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・・・ヘッドユニット、２０・・・インクジェットヘッド、２１・・・振動板、２２・・・静電式アクチュエータ、２３・・・キャビティ（圧力室）、２４・・・ノズル、３０・・・個別電極、３１・・・空隙、３２・・・共通電極、４１、４１Ａ・・・駆動回路、４２・・・残留振動検出回路、４３・・・切り替えスイッチ、４４・・・抵抗素子、５１・・・駆動電圧発生回路、５２・・・交流増幅器、５３・・・比較器、５４・・・基準電圧発生回路、４３１、４３２・・・アナログスイッチ。

Claims

振動板と、前記振動板を含みこの振動板を変位させる静電式アクチュエータと、内部に液体が充填され前記振動板の変位により内部の圧力が増減されるキャビティと、前記キャビティに連通し前記内部の圧力の増減により液体を液滴として吐出するノズルとを有する液滴吐出ヘッドと、
前記静電式アクチュエータを駆動する所定の駆動信号を出力する駆動手段と、
前記振動板の残留振動を前記静電式アクチュエータの端子電圧を用いて検出する残留振動検出手段と、
前記静電式アクチュエータを前記駆動手段と接続させて前記駆動手段で前記静電式アクチュエータを駆動させ、前記静電式アクチュエータに充電電圧が残っている状態で、前記静電式アクチュエータを前記駆動手段から前記残留振動検出手段に接続を切り替える接続切り替え手段と、を備え、
前記駆動手段が出力する駆動信号は、前記静電式アクチュエータを駆動する本来の駆動信号の他に、前記本来の駆動信号の出力後に出力される前記静電式アクチュエータを充電するためのアクチュエータ充電信号を含むことを特徴とする液滴吐出装置。
前記接続切り替え手段はアナログスイッチで構成され、
ノズルの吐出異常の検出時には、前記アナログスイッチで前記静電式アクチュエータを前記駆動手段と接続させた状態で前記駆動手段から前記本来の駆動信号と前記アクチュエータ充電信号とが順次出力された後の所定のタイミングで前記アナログスイッチで前記静電式アクチュエータを前記駆動手段から前記残留振動検出手段側の接続に切り替えることにより前記静電式アクチュエータに電荷が残存するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出装置。
振動板と、前記振動板を含みこの振動板を変位させる静電式アクチュエータと、内部に液体が充填され前記振動板の変位により内部の圧力が増減されるキャビティと、前記キャビティに連通し前記内部の圧力の増減により液体を液滴として吐出するノズルとを有する液滴吐出ヘッドと、
前記静電式アクチュエータを駆動する所定の駆動信号を出力する駆動手段と、
前記振動板の残留振動を前記静電式アクチュエータの端子電圧を用いて検出する残留振動検出手段と、
前記静電式アクチュエータを前記駆動手段と接続させて前記駆動手段で前記静電式アクチュエータを駆動させ、前記静電式アクチュエータに充電電圧が残っている状態で、前記静電式アクチュエータを前記駆動手段から前記残留振動検出手段に接続を切り替える接続切り替え手段と、を備え、
前記接続切り替え手段は、前記静電式アクチュエータと前記駆動手段との接続、または前記静電式アクチュエータと前記残留振動検出手段との接続を選択的に行うとともに、前記静電式アクチュエータと直列に接続される抵抗素子を含むことを特徴とする液滴吐出装置。
ノズルの吐出異常の検出時には、
前記接続切り替え手段は、前記静電式アクチュエータを前記駆動手段と接続させ、この状態で前記駆動手段は駆動信号を前記抵抗素子を介して前記静電式アクチュエータに出力させることにより前記抵抗素子の抵抗値と前記静電式アクチュエータの静電容量値とで定まる時定数により前記静電式アクチュエータを充放電させ、
さらに、前記接続切り替え手段は、前記駆動信号の出力終了のタイミングで前記静電式アクチュエータを前記駆動手段から前記残留振動検出手段側の接続に切り替えることにより前記静電式アクチュエータに電荷が残存するようにしたことを特徴とする請求項３に記載の液滴吐出装置。
前記接続切り替え手段はアナログスイッチで構成され、前記抵抗素子は前記アナログスイッチの導通時の抵抗であることを特徴とする請求項３または請求項４に記載の液滴吐出装置。
前記残留振動検出手段は、前記静電式アクチュエータに残存した電荷と、前記振動板の変位によって変化する前記静電式アクチュエータの静電容量とから、前記静電式アクチュエータの充電電圧の変化を誘起させ、誘起された前記充電電圧の変化から前記振動板の残留振動を検出することを特徴とする請求項１乃至請求項５のうちのいずれかに記載の液滴吐出装置。
振動板を含む静電式アクチュエータを駆動信号で駆動して前記振動板を振動することにより、キャビティ内部の液体を液滴としてノズルから吐出する液滴吐出ヘッドの吐出異常検出方法であって、
前記駆動信号は、本来の駆動信号の他に、前記本来の駆動信号の出力後に出力されるアクチュエータ充電信号を含み、
前記静電式アクチュエータに前記本来の駆動信号を供給したときに、前記振動板を振動することにより、前記キャビティ内部の液体を液滴として前記ノズルから吐出する動作を行い、
前記静電式アクチュエータに前記アクチュエータ充電信号を供給したときに、前記静電式アクチュエータに残存した電荷と、前記振動板の変位によって変化する前記静電式アクチュエータの静電容量とから、前記静電式アクチュエータの充電電圧の変化を誘起させ、誘起された前記充電電圧の変化から前記振動板の残留振動を検出し、検出された前記残留振動に基づいて、前記液滴の吐出異常を検出することを特徴とする液滴吐出ヘッドの吐出異常検出方法。
振動板を含む静電式アクチュエータを駆動信号で駆動して前記振動板を振動することにより、キャビティ内部の液体を液滴としてノズルから吐出する液滴吐出ヘッドの吐出異常検出方法であって、
前記駆動信号を抵抗素子を介して前記静電式アクチュエータに印加させて、前記静電式アクチュエータを充放電させ、
放電の完了前に前記静電式アクチュエータに残存する電荷と、前記振動板の変位によって変化する前記静電式アクチュエータの静電容量とから、前記静電式アクチュエータの充電電圧の変化を誘起させ、
誘起された前記充電電圧の変化を前記抵抗素子を介して取り出して前記振動板の残留振動を検出し、検出された前記残留振動に基づいて、前記液滴の吐出異常を検出することを特徴とする液滴吐出ヘッドの吐出異常検出方法。