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 - Google Patents
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
(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)。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)。
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。
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。
(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。
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。
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。
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)。
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。
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。
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。
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(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。
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。
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。
Claims (8)
- 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。
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