JP4344179B2 - インクジェットプリントヘッドの制御方法、この方法を使用するのに適したインクジェットプリントヘッド、およびこのプリントヘッドを備えたインクジェットプリンタ - Google Patents

Description

本発明は、インク用の出口を有し、かつインクが配置された実質的に閉鎖されたダクトを含むインクジェットプリントヘッドを制御する方法であって、インク滴が出口から噴射されるようにダクト内の圧力を変化させるために、電気機械的トランスデューサに作動パルスを印加するステップを含む方法に関する。本発明はさらに、この方法を使用するのに適したインクジェットプリントヘッド、およびこの種類のプリントヘッドを含むインクジェットプリンタに関する。

この種類の方法は、欧州特許出願公開第０７９０１２６号から知られている。この知られている方法は、ダクト板を備えたインクジェットプリンタ用のプリントヘッドで用いられ、該ダクト板は、幾つかの平行な溝が長手方向に形成され、各溝が出口またはノズルで終端している。ダクト板は、溝が実質的に閉鎖されたインクダクトを形成するように、可撓板によってカバーされる。幾つかの電気機械的トランスデューサが、ダクトの可撓板に備えられていて、各ダクトが、これらのトランスデューサのうちの１つまたは複数と対面するようにされている。この場合は、圧電トランスデューサであるトランスデューサには電極が備えられている。この種類の圧電トランスデューサの電極の両端間に、作動パルスの形態の電圧が印加されると、それによってトランスデューサが結合されるダクト方向に急激に変形するので、そのダクト内の圧力は急激に上昇する。その結果、インク滴がノズルから噴射される。

ダクト板から離間した側で、トランスデューサはキャリヤ部材によって支持されている。プリントヘッドは、キャリヤ部材を可撓板を介してダクト板に連結する、幾つかの連結部材をも備えている。これらの連結部材は、プリントヘッドの機械的強度を高める役割を果たすので、印加された作動パルスによって、さらに必要な圧力上昇が常に生じ、それにより必要な滴の噴射、すなわち例えば予め判明しているサイズ、および／または予め判明している速度を有する滴の噴射をもたらす。

したがって知られているプリントヘッドに知られている方法を用いることによって、安定した印刷プロセスが得られる。

しかし知られている方法には、幾つかの欠点がある。第１に、プリントヘッドの構造がいかに堅牢でも、この構造は常に老化する。電気機械的トランスデューサの材料特性、および特に膨脹特性が、時間の経過と共にゆっくりと変化するだけではなく、機械的構造自体も変化する。したがってプリントヘッドの異なる構成部品間の連結、特に接着剤による連結が、異なる機械的特性を得たり、剥離したりすることさえある。これらの全てによって、特定の作動パルスが、時間の経過で異なる滴の噴射をもたらす。言い換えると、知られている方法によって印刷特性が低下する。

知られている方法の別の欠点は、滴を噴射できる最大周波数が、制限されることにある。先行する滴の結果としての圧力変化が、充分に減少するまでは、後続の滴を噴射できない。実際にトランスデューサの作動によって通常は、減衰された正弦波の形状の圧力変化が生じる。正弦波が充分に減衰された場合だけ、次の滴の形成に悪影響を及ぼさない。この減衰には時間がかかり、それにより得られる滴の最大周波数が制限され、それにより知られている方法で可能な得られる最大印刷速度が限定される。

知られている方法の別の欠点は、依然としてダクト間でクロストークが生じることである。特に極めて高い品質が必要である用途では限定されているものの、クロストークは重大な欠点である。最後に、知られている方法には、構成に関して自由度が少ないプリントヘッドを使用しなければならないという欠点がある。信頼できる安定した滴を形成するには、構造は機械的要求基準を厳密に満たさなければならない。それによって知られている方法の利用が困難になり、特にコストが高くなる。

欧州特許出願公開第０７９０１２６号明細書 欧州特許出願公開第１０３１４５３号明細書

本発明は、上記の欠点をなくすことを目的とする。

この目的のため、請求項１のプリアンブルに記載の方法の発明がなされ、電気機械的トランスデューサの電気的インピーダンスを測定するステップと、測定されたインピーダンスに基づいて作動パルスを適合させるステップとをさらに含むことを特徴とする。本発明による方法では、作動パルス自体を適合させるために、電気機械的トランスデューサのインピーダンス、すなわち電流／電圧特性が測定される。言い換えると、トランスデューサのインピーダンスは、パルスの印加中に測定されるので、このパルスの作用を、印加と同時に（リアルタイムで）決定することができる。このようにして、所望の圧力変化を達成するために、必要ならばパルスの印加中にパルスを適合させることが可能である。例えば、パルスの開始時間で、圧力が過度に急激に上昇することが判明した場合であっても、それ以後にパルスを弱めることによってパルスを適合させることができる。

本発明は、電気機械的トランスデューサの電気的インピーダンスが、特定の作動パルスの結果としてダクト内の圧力変化を判定するパラメータと同じパラメータに応じるという認識を利用している。実際に電気機械的トランスデューサは、ダクト内の圧力と機械的に結合され、この圧力は、次にプリンタの構造と、プリンタが使用される状態とに応じる。したがって、トランスデューサの電気的インピーダンスを測定することによって、構造および状態と関連する情報を作成することが可能である。これに関連するパラメータの例には例えば、構成部品の機械的連係、およびさらにこの連係がどのような特定の瞬間になされるのか、さらにまた隣接するトランスデューサの作動、ダクト内の圧力、ヘッドの温度、インクの粘性等がある。このように、トランスデューサの電気的インピーダンスを測定し、そこからダクト内で達成される例えば圧力変化のような作用を判定することによって、これらの全てのパラメータの影響を測定することができる。その後、最終的に必要な滴の噴射を行うために、作動パルス自体を更新することができる。

本発明による方法を用いることによって、プリントヘッドの老化は、滴の噴射にあまり影響を及ぼさない。老化が滴の噴射プロセスにもたらす影響は、いずれもこの方法を採用することによって実際に修正可能である。例えば、作動パルスが、プリントヘッドの磨耗により（例えば、所定のパルスに応答したトランスデューサの膨脹の低下、出口の磨耗、可撓板の脆弱化、ヘッド内の亀裂、弛んだ連結等）必要以下の、または必要以上の強さの圧力形成を生じた場合は、作動パルスを印加中に更新できるので、適正な圧力形成が達成される。老化作用の補償は、各作動パルスを更新することによって行うことができる。これはさらに、例えばサービスコール中のようなある時点で老化作用を測定し、この測定に作動パルスを適合させることによっても可能である。後者の実施形態は実施し易く、プリントヘッドが急激に老化しない場合には充分である。

本発明による方法を用いることによって、噴射周波数を大幅に高めることができる。実際に作動パルスを適合させることによって、圧力形成の減衰を有効に促進することができる。例えば、ダクトを通過する種類の圧力波とは反対の圧力波を発生するように、滴の噴射後に作動パルスを形成することによって、大幅に短い時間で減衰を生じることができる。したがって、次の作動パルスをより迅速に与えることができる。さらに、どのような方法でも、すなわち以前の滴噴射の後の特別に有効な減衰なしで、次の作動パルスを迅速に印加し、次のパルス中に、以前のパルスから未だ続いている圧力波の作用を修正することが可能である。

クロストーク、すなわち別のダクトの作動による１つのダクト内での滴噴射プロセスの影響も、本発明による方法を用いることによって容易になくすことができる。１つのダクト内でのトランスデューサの作動が、隣接するダクトの状態に影響を及ぼす場合は、隣接するダクト内の作用は、作動パルスを前述したように適合させることによって修正できる。

当業者には、本発明による方法の採用により、プリントヘッドの構造による要求基準が大幅に緩和されることが明確であろう。特定の構造が滴噴射プロセスに及ぼす影響は、作動パルスを適合させることによって実際に修正できる。例えば低すぎるか高すぎる圧力の形成のように、作動パルスによって所望の作用から明らかに逸脱した作用が生じることが判明した場合に、または作動パルスが適切な滴噴射プロセス、すなわち所望の印刷品質を生じるためのプロセスに必要であるよりも緩慢に減衰された場合に、この種類の適合が必要である。

ちなみに、欧州特許出願公開第１０３１４５３号は、結合されるインクダクトの状態を測定するセンサとして、圧電トランスデューサが使用される方法を開示している。この方法では、作動パルスの終了後に、トランスデューサは、ダクト内の圧力波を測定するセンサとして使用される。しかし、この知られている方法は、何らかの修理を行う必要があるか否かを決めるため、ダクト内の状態をチェックするために利用される。この出願からは、作動パルス自体を適合させることは知られておらず、トランスデューサのインピーダンスを測定することも知られていない。したがって、この発明は、前述の発明よりも本発明との関連は小さい。

一実施形態では、電気機械的トランスデューサに電圧パルスが印加され、この電圧パルスの結果としてトランスデューサを流れる電流、およびダクト内の圧力形成が測定される。このようにして、トランスデューサの電流／電圧特性を明確に判定することができる。この電圧パルスは、トランスデューサにエネルギーを供給するのに適したどのような所望の形状を有していてもよいことに留意されたい。必要ならば、パルスは、連続的に印加される幾つかの離散パルスからなってよい。

別の実施形態では、それによってトランスデューサにエネルギーが供給される電圧パルスが形成されるように、電流パルスが電気機械的トランスデューサに印加される。この実施形態では、電圧を測定することによって、トランスデューサの電流／電圧特性を決定することも可能である。さらに、この実施形態では、電流パルスは、幾つかの別個のパルスの組合せ、例えば１つは正のパルス、１つは負のパルスでよい（トランスデューサの一次の容量性インピーダンスの場合は、１つの別個の電圧パルスを生じる）。この実施形態の本質は、いかなる方法であれ電流が印加されれば、結果として生じる電圧が測定されることにある。

一実施形態では、この方法は、特定の速度で滴を噴射するのに必要な圧力を所定の時間で得るために利用される。このようにして滴噴射の時間を制御できるので、この方法は有利である。インクジェットプリンタにおいてこのことが重要であるのは、インクジェットプリンタは、プリントヘッドを受け取り材料に対して移動させることで、この材料の表面全体を走査するためのプリントヘッドを有している場合が多いからである。滴噴射時間および滴速度が定まれば、滴を受け取り材料上の正確な位置に配することができる。これは良好なプリント品質を得るために重要である。

一実施形態では、この方法は、滴の噴射後に圧力を変化させるために利用される。この方法では、滴の噴射後の圧力は、後続の滴の適正な滴噴射にとって重要な値に変更される。このことはさらに、このようにして後続の滴が噴射される前に、ダクト内に良好な状態を常に作成できるので有利である。例えば、次の滴が極めて大きいサイズを有する必要がある場合は、このような滴の形成を促進するための状態をダクト内に作成することが常に可能である。

この実施形態の別の形態では、滴の噴射後の圧力は、実質的に基準値にされる。この実施形態では、ダクトは、例えば最も周波数の高い滴噴射に適した状態にされる。このようにして、相当の演算時間を節減することができ、基本的に良好な滴の噴射を達成できる。

ここで本発明を、本発明の特定の実施形態の以下の例を参照して詳細に説明する。

図１
図１は、本発明による方法の例を概略的に示している。本実施形態による方法は、適正な滴噴射を生じるためにインクダクト内で得ようとする、参照符号１で示された所望の圧力Ｐ_Ｄから始まる。この所望の圧力Ｐ_Ｄは、減算器２への入力信号である。所望の圧力は、増幅器４のための信号３に変換され、この増幅器はその信号３に基づいて、作動電圧５を圧電トランスデューサ６に送る。この電圧はトランスデューサのポート７に送られ、接続線８を介してユニット１３に送られる。それに応答して、トランスデューサは変形され、結合されるインクダクト内に圧力Ｐ_Ｅ（有効圧力）を得る。この圧力は直接的には測定できない。しかし、ダクト内の圧力Ｐ_Ｅの結果、トランスデューサは変形され、それにより接続線１１を介してユニット１３に送られる電流を発生する。入力信号を利用して、ユニット１３は、トランスデューサの電流／電圧特性をリアルタイムで測定することができる。適当なモデルを用いて、モデルから圧力Ｐ_Ｅの値を計算することができ、この値はＰ_Ｃ（計算された圧力）と呼ばれる。この種類のモデルは、プリントヘッドの構造、およびトランスデューサの電気機械的特性の分析に基づいて容易に作成することができる。この種類のモデリングは、従来技術から十分に知られている。計算された値Ｐ_Ｃは、減算器２に送られる。これは、計算された圧力Ｐ_Ｃが所望の圧力Ｐ_Ｄに対応する時を判定する。対応しない場合は、増幅器３に送られた信号は適合される。

前述の閉ループ制御を利用して、所望の効果を常時達成するために、作動パルスをリアルタイムで更新することができる。本発明は、ダクト内に所望の圧力を得ることに限定されるものではない。基本的に、圧電トランスデューサのインピーダンスを介して滴噴射プロセスに影響を及ぼす何らかのパラメータを決定することができる。すなわち、この種類のパラメータが滴噴射プロセスに及ぼす影響を、更新することも可能である。

図２
図２は、本発明による方法の電気的な類似回路を示している。この図での中央ユニットはプロセッサ３０である。例えばプロセッサを制御するために接続線４０を介して入力データを送られることができる、または入力データを読み出し可能であるプロセッサは、圧電トランスデューサ６にどの信号を送るべきであるかを決定する。この目的のため、プロセッサは、Ｄ／Ａコンバータ３１に制御信号を送り、このＤ／Ａコンバータは接続線３２を介してアナログ信号を増幅器４に送る。次にこの増幅器は、接続線３４を介して作動パルスをトランスデューサ６に送る。この作動パルスは、線３６を介してＡ／Ｄコンバータ３７にも送られる。トランスデューサによって発生される電流は、測定抵抗３９を介してアースされる。この電流は、接続線３８を介して抵抗の前で電圧を測定することによって測定される。この電圧は、接続線３８を経てＡ／Ｄコンバータ３７に送られる。このコンバータは、双方の信号をディジタル形式でプロセッサ３０に送る。モデルを利用して、このプロセッサは、入力パルスがダクトに所望の作用を及ぼすか否かを決定する。そうである場合は、元々の設計されたパルスが継続される。そうでない場合は、パルスは、所望の作用を与えるように更新される。

このようにして、圧電トランスデューサ用の作動回路に加えて、トランスデューサのインピーダンスを判定するための測定回路、および作動パルスを適合させるための制御ユニット（プロセッサ３０）も形成される。基本的に、各ダクトはこのようにして作動され、測定され、かつ制御される。一実施形態では、数十、または数百ものインクダクト用に１つのプロセッサユニットが使用される。数百ものダクトを有するインクジェットプリントヘッド用に必要なプロセッサの数は特に、作動パルスの適正な制御に必要な演算能力によって左右される。

図３
図３は、インクジェットプリンタを概略的に示している。この実施形態では、プリンタは受け取り媒体１２を支持し、これを４つのプリントヘッド１６に沿って移動させるためのローラ１０を備えている。ローラ１０は、矢印Ａによって示される軸を支点に回転可能である。キャリッジ１４は、４つのプリントヘッド１６、すなわちシアン、マゼンタ、イエロー、およびブラックの色ごとに１つのプリントヘッドを担持し、ローラ１０と平行な二重矢印Ｂで示された方向に往復移動可能である。このようにして、プリントヘッド１６は、受け取り媒体１２を走査することができる。キャリッジ１４は、ロッド１８および２０上で案内され、適当な手段（図示せず）によって駆動される。

図示した実施形態では、各プリントヘッド１６は、各々が独自の出口２２を有していて、ローラ１０の軸に対して垂直な想像線をなす８つのインクダクトを備えている。印刷機の実際の実施形態では、プリントヘッド１６当たりのインクダクト数はずっと多い。各インクダクトには、図２に関連して説明したように圧電トランスデューサ（図示せず）と、関連する作動および測定回路（図示せず）とが備えられている。各プリントヘッドは、更に作動パルスを適合させるための制御ユニットを含んでいる。このようにして、インクダクト、トランスデューサ、作動回路、測定回路、および制御ユニットは、ローラ１０の方向にインク滴を噴射するように作用するシステムを形成する。制御ユニット、および／または例えば作動および測定回路の全ての素子を、実際のプリントヘッド１６内に物理的に組込む必要は必ずしもない。さらにこれらの部品を、例えばキャリッジ１４内に配置し、またはプリンタとさらに離れた部品に配置することも可能であり、プリントヘッド１６自体の構成部品への接続線が設けられる。このようにして、これらの部品は、実際に物理的に組入れなくてもプリントヘッドの機能部品を形成する。トランスデューサが、画像に関して作動されると、受け取り媒体１２上に個々のインク滴からなる画像が形成される。

図４
図４は、作動パルス（図４ａ）と、それによって生じるインクダクト内の圧力変化（図４ｂ）とを概略的に示している。

図４ａでは、時間ｔ（任意単位）に対する印加電圧Ｖ（任意単位）がプロットされている。領域Ａに延びる作動パルスが示されている。この領域は、ブロック電圧５０の形態での圧電トランスデューサへの電圧の印加から始まり、後続の滴噴射に属するブロック電圧５１の開始で終了する。この場合、作動パルスはさらに、圧電トランスデューサに電圧が送られない期間６０をも含んでいる。

図４ｂは、関連するインクダクト内での圧力に及ぼす前述の作動パルスの作用を示している。この目的のため、時間ｔ（任意単位）に対する圧力Ｐ_Ｅ（任意単位）がプロットされている。期間Ａの開始の直後に、ダクト内の圧力Ｐ_Ｅが、曲線７０によって示されるように上昇する。作動パルスがブロック電圧を含む領域で、圧力は最大値に達する。インク滴は、この最大圧力に達する時間の近くでダクトの出口から噴射される。ブロック電圧が終了した後、圧力は図示のように低下する。期間Ａ全体の終了後に、圧力は実際に初期値に減衰される。そこでダクトは、後続の滴噴射を発生するのに適した状態にある。

図５
図５は、逸脱した圧力変化（図５ａ）、およびこの種類の逸脱した圧力変化を補償するようにされた作動パルス（図５ｂ）を示している。

図５ａには、図４ｂと同様に、期間Ａ内で印加された作動パルスの結果としてのインクダクト内の圧力変化が示されている。この場合は、パルスは、相当の慣性を伴ってのみ減衰される圧力曲線７１を生じる。その理由は例えば、プリントヘッドの材料の老化、または隣接するダクトの作動の影響である。この種類の曲線は、期間Ａの終了時に、圧力が依然として後続の作動パルスの作用を相当に妨害するのに充分高いことを意味している。このような圧力変化をなくすために、図２に示したリアルタイムの閉ループを介して説明したように、パルスを適合させることができる。この場合、例えば、これにより図５ｂに示すように作動パルスが生じることもある。そこで作動パルスは、電圧が供給されない領域が間にある３つのブロック電圧５２、５３、および５４から構成される。この適合されたパルスは、実際的に図４ａのブロック電圧５０と同一であるブロック電圧５２から始まる。この場合にも、このブロック電圧によって有効圧力Ｐ_Ｅが生じ、インク滴の噴射を引き起こす。減衰を有効に促進するために、ブロック電圧５３および５４が印加される。これらの電圧は、滴の噴射を引き起こさず、純粋にインクダクト内の圧力の減衰に向けられたものである。この場合は、この種類のパルスによって、図４ｂに示すような圧力曲線が生じ、この実施形態では所望の圧力曲線である。

本発明による方法を概略的に示す図である。 本発明による方法の電気的な類似回路を示す図である。 本発明によるインクジェットプリンタを示す図である。 作動パルス、およびインクダクト内の圧力変化の結果を概略的に示す図である。 逸脱した圧力変化、およびこのような逸脱した圧力変化を避けるために適合された作動パルスを示す図である。

符号の説明

２ 減算器
３ 信号
４ 増幅器
５ 作動電圧
６ 圧電トランスデューサ
７ ポート
８、１１、３２、３８ 接続線
１０ ローラ
１２ 受け取り媒体
１３ ユニット
１４ キャリッジ
１６ プリントヘッド
２２ 出口
３０ プロセッサ
３１ Ｄ／Ａコンバータ
３６ 線
３７ Ａ／Ｄコンバータ
３８ 接続線
３９ 測定抵抗
５０ ブロック電圧
７０ 曲線
７１ 圧力曲線
Ａ 領域
Ｖ 印加電圧

Claims (7)

1. インク用の出口を有し、かつインクが配置された実質的に閉鎖されたダクトを含み、該ダクトに動作可能に接続された電気機械的トランスデューサを備えたインクジェットプリントヘッドを制御する方法にして、
   インク滴が前記ダクトの出口から噴射されるようにダクト内の圧力を変化させるために、電気機械的トランスデューサに作動パルスを印加するステップを含む方法であって、
   前記作動パルスの印加中に電気機械的トランスデューサの電気的インピーダンスを測定するステップと、
   前記作動パルスの印加中に、測定されたインピーダンスに基づいてリアルタイムで前記作動パルスを適合させるステップとをさらに含むことを特徴とする方法。
2. 電圧パルスが、電気機械的トランスデューサに印加されると共に、電気機械的トランスデューサによって発生される電流が測定されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 滴を特定の速度で所定の時間に噴射するために必要な圧力を得るために用いられることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
4. 作動パルスが、後続の滴を特定の速度で所定の時間に適切に噴射するために必要な第２の圧力をダクト内に得るように適合されていることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 作動パルスの適合により、後続の滴の噴射後に、第２の圧力が実質的に基準値にされることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
6. インク用の出口を有し、かつインクを保持するための実質的に閉鎖されたダクトを含み、該ダクトに動作可能に接続された電気機械的トランスデューサと、
   インク滴が前記ダクトの出口から噴射されることができるようにダクト内の圧力を変化させるために、電気機械的トランスデューサに作動パルスを印加するための作動回路とを備えたインクジェットプリントヘッドであって、
   前記作動パルスの印加中に電気機械的トランスデューサのインピーダンスを測定するための測定回路と、前記作動パルスの印加中に、測定されたインピーダンスに基づいてリアルタイムで作動パルスを適合させる制御ユニットとをさらに備えることを特徴とするインクジェットプリントヘッド。
7. 請求項６に記載のインクジェットプリントヘッドを備えたインクジェットプリンタ。

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