JPH02196664A - インクジェットシステムおよびインク弁の制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野及び従来の技術） 本発明は一般的にインク・ジェット印字システムに関し
且つ特にその満足すべき作動を維持するためのシステム
に関する。インク・ジエ”）ト・システムは一般的に当
業界で知られており、且つ滴を発生するために振動エネ
ルギの作用を受ける導電性インク組成物の使用を含む０
滴はその時マーク付けされる基体上へ静電板によって偏
向されるために選択的に荷電される０例えば、米国特許
第４．５５５．７１２号を参照されたい、基体で方向付
けられない滴は再使用のためにインク溜へ戻る。システ
ムが作動すると、インクは印字及び蒸発によって失われ
る。これは、温度及び他のシステムの変動と共に、時に
は相当にインク流量を変化させる。長期間にわたって印
字動作を維持するために、インク流量を監視し且つ制御
することが必要である、典型的には、制御システムは動
作期間にわたって流量の変化を監視し且つ変化の検知に
応じてインク組成を変化し又は調合用インクを加え、そ
れにより流量を実質的に一定に保つ、典型的な作用は調
合用インクをインク溜へ追加することを許す弁を定期的
に作動してインクからの溶削の損失を補償する。

流量を実質的に一定に維持するための１つの従来技術の
アプローチは、本出願人に譲渡された７１２特許に開示
されている。その特許はここに参考として組入れられる
０本発明は°７１２特許の改良であり且つそれへの参照
は本発明で利用され得るインク・ジェット・システムに
関する追加の細部についてなされる。

°７１２特許で説明される装置は調合用インク弁の作動
を決定するための簡単な機構を使用する。もし流れ時間
測定読みが設定点時間より大きいならば、弁は一定時間
の開作動される。これは流れ時間が設定点時間より少な
くなるまでシステムサイクル毎に一度起こる。成る場合
には、数サイクルにわたる平均流れ時間が設定点と比較
される。

調合用インクが設定点流れ時間との比較に基づいて追加
され又は追加されないこの種類の流れ制御は「ゴー／ノ
ー・ゴー（ｇｏ／ｎｏ　ｇｏ）　Ｊ制御と呼ばれること
ができる。そのような方法は本質的に流れ時間特性曲線
に振動を生じさせる。高蒸発率のインクについては、振
動の振幅は許容し得ない２秒波高値に達することがある
。もし操作者がシステムに対する最適な設定パラメータ
を選ばないならば、問題は更に誇張され得る。

流れ時間特性での振動は少なくとも２つの原因のためで
ある。第一に、システムのインクの全量は混合時間定数
と処理遅れを生じさせる。それ故、調合用インクがシス
テムを伝搬する時間の間修正作用が起こる。これは修正
作用が流量制御装置によって検知される前に過大修正が
起こることを確実にする。修正作用が停止すると、それ
は過小修正状態が検知されるまで再開しない。

振動の第二の原因は流れ時間の小さなエラーでさえも全
インク追加サイクルの開始を生じることである。このた
め、システムは振動を起こし易い高利得制御システムと
同様に作用する。

（発明が解決しようとする課題） インク・ジェット・プリンターで流量を制御するための
改良された方法を提供することが望まれる。特に、イン
ク流れ時間が設定値からのかなりの偏差を伴わずに設定
値に維持され得るシステムを提供することが望まれる。

本発明の別の目的は、追加過程で望ましくない振動を伴
わずに蒸発損失を補償する調合用インクの定常的な流れ
を提供することである。

本発明の別の目的は、操作者の技量に直接に依存しない
自己調節能力を備えることによって手動較正を必要とせ
ずに異なる蒸発１員失率を有するインクの広い範囲に自
動的に適合し得るシステムを提供することである。

本発明の別の目的は、必要により自己調節することがで
き且つ操作者がエラーを引起した場合に自己修正するこ
とができるシステムを提供することである。

（ＬＩＤを解決するための手段） 本発明はインク・ジェット・プリンターでインク流量を
制御するための方法及び装置である。前述した゛７１２
特許に開示されたシステムの改良である本発明はそこに
開示されたのと同じ基本的な流れ時間測定処理を利用す
るが、それらの測定値に対するその応答で相違する０本
発明は流れ時間測定情報を閉ループ制御システムでのフ
ィードバック信号として利用する。実際の流れ時間は基
準値即ち設定点時間と比較される。エラー信号を示すこ
れら２つの間の差は、離散型電子回路構成部品で又はプ
ログラムされたマイクロコンピュータによって行われ得
る制御機能への入力として使用される。制御機能はイン
ク流れ時間、それ故インク流量を特定されたレベルに維
持するために要求される調合用インクの流量を決定する
。好ましくは、基準値はフレッシュなインクによるシス
テムの起動流れ時間である。フレッシュなインクは正規
の機械準備手順の部分として適正な設定点流れ時間を決
定するために使用され得る０本発明の制御機能は流れ時
間を制御し且つそれを一定に保つように設計されるので
、起動流れ時間を基準として利用することが許される。

流量は流れ時間と直接に関係付けられるので、制御機能
は流量を一定に保つ、流量を一定に保つことの結果は連
続流のインク・ジェットプリンターで望ましい実質的に
一定なインク滴速度を維持する。

本発明による制御機能は次の関係に従って弁イオン時間
Ｔを生成することによって得られる。

式中、 Ｅ＝流れ時間−設定点時間 Ｋｌ、　［２、に３は定数である。

この関係は、振動を最小限に減らし且つ本発明の望まれ
る目的を達成する比例、微分及び積分の制御因子を採用
する。

（実施例） 第１図を参照すると、本発明が適当とされるインク・ジ
ェット・システムで遭遇する典型的な振動挙動を示す波
形が示される。５４秒として随意に示される設定点と、
実際の流れ時間が設定点の上下に振動していることに注
目されたい、この種類のシステムで典型的であるノイズ
は波形の不規則性によって示される。　’７１２特許に
開示された従来技術のシステムによれば、流れ時間が設
定点を越える時はいつでも、調合用インク弁は一定の時
間間隔の開作動されて調合用インクをシステムへ追加す
る。この作動方法は前述したように例示された振動に寄
与する。

第２図は本発明が意図されるインク・ジェットシステム
の簡単化した図である。この図の一層詳細な例は７１２
で与えられる。第２図に示すように、圧力管１０は管内
のインクレベルの変化によって作動されるＡ及びＢで示
されるフロートスイッチを有する。管はインクが溜１２
からポンプ１４を通して圧力管へ流れる時に繰返して充
満され且つ空にされる。基体へ適用されないインクはイ
ンク戻りシステム１８を通して溜へ戻る。調合用インク
はフレッシュなインクの溜２２から分離した溜２０中に
収容される。弁２４及び２６は調合用インク及びフレッ
シュなインクの溜１２への追加を制御する。調合用イン
ク弁２４は圧力管ＩＯからスイッチＡ及びＢを通して流
量データを受取る電子制御装置２８によって制御される
。制御装置は後述する機能を行う離散型論理制御装置で
あることができる。しかしながら、本発明の好適な実施
例によれば、該機能は本発明を実施するようにプログラ
ムされたマイクロコンピュータシステムによって実行さ
れる。

第３図によれば、簡単化された制御ブロックが与えられ
る。このブロックで、破線４０内に収められた上方部分
は離散型論理で又はソフトウェアで実行される制御機能
である。ブロックの下方部分は現存するインク・システ
ムを示す、制御機能への入力は設定点値であり、該設定
点値は操作者によって手動で入れられるか、又は装置が
最初にオンにされ且つフレッシュなインクの供給がシス
テムへ与えられる時に測定された流れ時間によって入れ
られる。制御機能の出力は弁２４を作動するために制御
装置２８によって使用される弁オン時間Ｔである。

インク伝達機能は、幾つかの流体の混合、幾つかの室を
通して分配される全インク量、流れ混合時間定数、処理
遅れ、及びシステムと関連した他の現象を考慮に入れる
複雑な関係である０機能は正確な数学的環で表現され得
ない、しかしながら、粗い近似は可能であり且つ第３図
に例示するように満足すべき解答の発生を許す０本質的
に、解答は、システムが約１５分のオーダーであると仮
定される混合時間定数を有する徐々の混合及び再循環を
伴う体積のインクであることをとる。それ故、加えられ
た調合用インク又はそのインクの流量の変化は流れ時間
測定出力を徐々にだけ変化させる。

第３図に示す制御機能はインクシステムのサイクル毎に
一回とった流れ時間読みに応答する。参考とする′７１
２特許に開示されるように、典型的なインクサイクル（
流れ時間の変化を決定するために使用される時間期間）
は７０〜８０秒のオーダーであるが、異なる応用例及び
異なるインクで変化する。

制御機能は調合用追加弁ターン・オン・パルスを各サイ
クル毎に一回発生する。ターン・オン・パルスは伝達関
数の出力に依存する可変長さを有する。このようにして
、調合用インクの正規の流れが確立される。第３図に示
す基本的なシステムでは、弁オン時間Ｔは次の関係によ
って与えられス Ｔ　−Ｋｌ（Ｅ）　十に２仝すｐ−＋に３ＪＥｄｔｔ 式中、 Ｅ＝流れ時間−設定点時間 に１、に２、Ｋ３は定数である。

３つの項はそれぞれシステムの動的応答を制御する特別
の目的を機能する。３つの係数に１、Ｋ２及びに３は安
定な非振動システムを得るように決定される。

比例項はエラー信号に正の増加がある時に弁オン時間を
増加させ且つエラー信号に減少がある時に弁オン時間を
減少させる。微分項は弁オン時間をエラーの減少割合に
比例して減らし又は逆に弁オン時間をエラーの増加割合
に比例して増やすことによって第１項と平衡する。

積分項はエラーが零に戻るまで弁オン時間を徐々に増加
させる。この第３の項がなければ、制御信号はその正方
向利得又は伝達関数に対する有限の上限を有するので完
全な平衡は維持され得ない。

それ故、弁オン時間のような非零出力は積分項が備えら
れなければ非零入力、即ちエラー信号を必要とする。結
果は理論的には定常状態のずれがインクの蒸発速度に比
例して形成されることである。

積分項が含まれる時、設定点の段階的変化はエラーを一
時的に非零にさせる。しかしながら、エラーが正である
限り、弁時間は各継続的なサイクルと共に増加し続ける
。もしシステムが過大補償するならば、エラーは負にな
る。積分は零エラーが再び達成されるまで減少する結果
をもって続く。

いま説明したシステムは前記した目的の全てではないが
幾つかの目的に合う、加えて、それはノイズに対するシ
ステム応答の欠点をもつ、制御機能の実行において、シ
ステムノイズを考慮する必要がある。第４図に示すよう
なノイズをもつ信号は微分器出力へ提供される時に重大
な問題を発生する。それ故、やや精巧にされ且つノイズ
の作用を最小限にし又は制御し得るシステムを提供する
ことは必要である。第５図は本発明の制御システムの好
適な実施例を例示する。それは第３図に例示する実施例
と概ね同じであるが、ノイズ問題を減らすように意図さ
れた幾つかの追加の機能を含む。

ノイズに対処するが、追加された時間遅れが過大になる
のを抑えるために、２つのクリップ器段階（４２及び５
４）と２つの濾波器段階（５０及び５６）とが第５図に
ブロック線図に組入れられる。これらの機能は後述され
る。広範囲のインク種類にわたってのシステム振動に対
処するために、積分項の作用は条件付き基準でエラー合
算を行うように変更されている。

クリップ器回路は信号の絶対値がクリップ・ウィンドウ
内にある限り信号を時間遅れ又は位相ずれなく通す、も
し信号がウィンドウの上方又は下方にあるならば、出力
はウィンド最大又は最小まで制限される。各サイクルに
一回、図示したフィードバック経路によって、クリップ
・ウィンドウの基準は信号が移動する方向へ調節される
。この作用はシステムのノイズレベルを大巾に低下させ
る。

濾波器５０及び５６もノイズを減らすことを意図される
。第１の低域濾波器にサイクル濾波器５０）は微分器出
力だけを処理する。それは他の２つの信号経路を濾波し
ない、これは位相遅れを最小限にし、しかもなおそれが
最も必要とされる微分信号経路に追加された濾波を備え
る。第２の濾波器５６はその結果として生じた弁オン時
間パルス列に一層の平滑を加える。これらの修正の結果
は改良された流れ時間波形である。

第５図を更に詳しく参照すると、設定点値（流れ時間）
が人力として合算点４０へ提供され、そこで比較が圧力
管１０（第２図）と関連した磁気スイッチＡ及びＢから
得られる実際の流れ時間に対してなされる。比較の結果
は、クリップ後に制御装置のＰＩＤ部分によって処理さ
れるエラー信号である。示したように、クリップ器４２
はエラー信号をその電流ウィンドウ内の値に制限する。

ウィンドウはフィードバック経路４４によってエラーの
方向に上又は下ヘシフトする。クリップ器４２の出力は
ＰＩＤ制御システムの全ての３つの部分への入力である
。比例制御はエラー信号を値に１によって簡単に目盛り
且つそれを合算点４６へ提供する。微分部分は４８にお
いてエラー信号の導関数を計算し且つその結果の値をニ
サイクル濾波器５０に通過させてノイズを減らし且つ次
に定数に２によって目盛る。

合算機能は後述するように５２で示すように条件付きで
行われる。

エラー信号の３つの成分は合算点４６で合算され、クリ
ップ器回路５４及び濾波器５６の作用を受ける。

その結果性じる信号は調合用インク追加弁２０の作動を
制御するために使用される弁オン時間信号である。前述
したことから、微分及び条件付き合算項の作用から、エ
ラー（正の）が大きくなる程、弁オン時間が益々大きく
なり且つエラーが小さくなる程、弁オン時間が益々小さ
くなることは明らかであろう、このため、従来技術の一
定のオン時間能力と異なり、本発明は調合弁オン時間を
検知されたエラー信号の関数として修正する。結果はこ
こで説明する育苗な結果をもってインク流れ時間の一層
良好な制御である。

−条番、Ｍｋ任算− 正方向伝達関数並びにフィードバック伝達関数の総合利
得は両方共に幾つかの因子の積である。

これら因子の変動は機械から機械へ及びインクからイン
クへの広範囲の利得を生ずる。そのような因子は次のも
のを含む。

フレッシュなインク対調合用インクの粘度、インクの蒸
発速度、 フレッシュなインク対調合用インクの比重、調合用イン
クの粘度、 溜の真空度、 調合追加システムでの流体流れに対する種々の制限。

これらの利得の変動システムの動的応答に作用する０段
階的変化に対する応答は作用を最良に例示する０条件付
き合算をもたない基本的なシステムが高利得インクに対
する係数に１、Ｋ２及びに３の選択をもって最適化され
ると仮定する。遷移応答は零へ徐々に減衰する一時的な
エラーを示す。

しかしながら、同じシステムで低利得インクはかなりの
過小シュートを生じ且つ定常状態の零エラーが起こる前
におそらく数サイクルの乱調を生ずる（第６図参照）、
逆に、もし低利得に対して最適化されているならば、高
利得エラーピークは大きくなる。

解決はエラー合算を実質的に自己調節するようにオフ又
はオンにさせることである。エラー曲線の傾斜が零に近
い時、調合用インクの流量は実際の蒸発量に近い、これ
はエラーがピークにあるときでも本当である。それ故、
本発明によれば、正のエラーに対する合算はエラーの傾
斜（ｄＥ／ｄ　ｔ）が−０，０２まで減少する時に停止
される。同様に、負のエラーに対しては、傾斜が＋０．
０２より大きくなる時に合算は停止される。

この処理の結果はエラー曲線がそのピークへ達し且つ零
エラーの方へほんの僅かに戻り続けることである。この
点において、調合追加匿は蒸発量をほんの僅かに超える
０合算は傾斜状態が再び変化してそれを再び使用可能に
するまで禁止されたままである。第７図は条件付き合算
のあるときとないときの比較を示す、究極の結果は蒸発
速度及び利得パラメータ変動の広範囲にわたって、零エ
ラーへの復帰が少しの過大シュートをもって又は過大シ
ュートを全くもたずにうまく制御されることである。

一実施例では、仕上げられた制御方程式は次の通りであ
った。

所望される場合には、エラー信号自体並びに適当な係数
を乗じたエラー信号の微分項を合算することを含むよう
に制御システムのブロックを更に修正することは可能で
ある０例えば、次の項を制御関数に代入する。

アイデアはもしエラーが急速に増加するならば合計を一
層急速に成長させ且つもしエラーが急速に増加しないな
らば合計をよりゆっくり成長させることである。この機
構の究極の作用はエラーピークを２．速に制限すること
及び利得の広い範囲について最大シュートを伴わずにエ
ラーを零へ戻すことである。しかしながら、高ノイズシ
ステムでは、第５図に開示する基本式システムへのこの
変更は望ましくない、高ノイズシステムは過大シュート
及び振動を再び導入することがある。だいたい、もしノ
イズレベルが１／４秒波高値より小さいと仮定されるな
らば、この追加の修正はうまく働り。

スプリアスのノイズが１〜２秒の波高値に達する場合、
微分項の条件付き合算は利用されるべきでない。

要するに、本発明は再循環インクシステムで流量を制御
する手段である。流量の制御はインク・ジェット印字の
品質に必要な要件であるインク滴速度の制御に直接に移
行する。前述したことから、このシステムを固体論理で
又はコンピュータによって実行する態様が明らかになろ
う、しかしながら、完全のために、本発明をコンピュー
タによって実行し得るソフトウェア流れ線図が提供され
る。

第８ａ図から第８ｄ図に示すソフトウェアは当業者に概
ね自明である。しかしながら、開示の正確さ及び完全性
を保証するために簡単な考察をする。

第８ａ図を参照すると、ソフトウェアは操作者が調合用
インク弁を作動するために使用されるデータを手動で変
更しているかをみるために最初にチエツクする。もしそ
うであるならば、プログラムは第８ｄ図へ分岐する。も
しそうでないならば、プログラムは流れ時間及び基準時
間を読み出し且つエラー（流れ時間及び基準時間の間の
差）を計算する。第５図に示すように、エラーは次にク
リップ器を通過され、クリップ器はエラーをその前の値
の±０．３秒までに制限する。エラーの微分が次にとら
れる。

第８ｂ図を参照すると、ニサイクル濾波器５０の機能が
次に第８ａ図の最後の囲い及び第８ｂ図の最初の３つの
囲いに示すように実行される。エラーが正か負かを決定
した後、第５図の囲い５２で示す条件付き合算機能が実
行される０合算の条件付きのアスペクトはエラーの微分
が−０，０２より大きいか又は＋０．０２より小さいこ
とを要求することによって達成される。この条件が合わ
ないならば、使用される合算は新たに計算された値では
なく前の値である。

第８ｃ図を参照すると、最初の４つの機能は第５図のク
リップ器５４に対応する。第８ｃ図に７２及び７４で符
号付けされた囲いは第５図のニサイクル濾波器５６に対
応する。最後に、弁オン時間はソフトウェア動作の次の
繰返しで記憶される。

第８ｄ図を参照すると、操作者が調合用インク動作のた
めに値を変更した場合、計算に使用されるエラー値は零
に設定される。前の弁オン時間は新たな操作者投入値と
等しく設定される。弁オン時間の合計は新たな値の二倍
に設定される。前の合算は新たな値の６４倍に設定され
る。これは、弁オン時間が次に計算される時に結果が新
たな所望値になるようにする。演算が次に第８ａ図に示
すように開始し且つＰＩＤ　ｌｔ＋Ｉｌ’８機能はエラ
ーをそのように選択された初期値に修正する。

本発明を好適な実施例によって例示し且つ説明したが、
図示し且つ説明した実施例の他の変更及び修正が本発明
の意図される精神及び範囲内で当業者に明らかであろう
。

【図面の簡単な説明】

第１図は展型的なインクシステム動作及びそれと関連し
た問題を説明するために有用な線図であり、第２図は本
発明で使用するに適するインク・ジェット・システムの
簡単化した線図であり、第３図は本発明の伝達機能を例
示するブロック線図であり、第４図はシステムの動作に
及ぼすノイズの作用を例示する波形線図であり、第５図
は本発明の性能を向上するために修正された第３図と同
様なブロック線図であり、第６図は本発明の動作に関し
て高利得インク及び低利得インクの間の差を例示し、第
７図は制御機能に及ぼす違加の合算の作用を示し、第８
ａ図乃至第８ｄ図は本発明の制御機能を実行するために
有用なソフトウェア流れ線図である。 １〇−圧力管、　　　　１２．２０．２２・・・溜、１
４−・ポンプ、　　　　　１Ｂ・−インク戻りシステム
、２４　、２６・・・弁、　　　　２８・−・制御装置
、４２．５４−−・クリップ器段階、 ４４−・フィードバック経路、 ４６−・・合算点、　　　　４日−・微分部分、５０．
５６−一濾波器段階。 図面の浄書（内容に変更なし） 茅 国 第 国 第 国 第 ７図 平成 ２年 デ日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、実質的に流量を設定点値に維持するために調合用イ
   ンクをシステムへ加えることができるインク弁を有する
   インク・ジェット・システム用流量制御装置であって、 （イ）設定点値を実際の流量と周期的に比較してエラー
   信号を発生する手段と、 （ロ）前記エラー信号で作動してそれから導出される比
   例（Ｐ）、微分（Ｄ）及び積分（Ｉ）値を発生する手段
   と、 （ハ）Ｐ、Ｉ及びＤ値を組合せて前記インク弁を制御す
   るための弁オン時間信号を発生する手段とを具備し、 それによりインク・ジェット・システムから蒸発するに
   つれて前記インク弁が調合用インクを前記システムへ加
   えるように作動される流量制御装置。 ２、Ｐ、Ｉ及びＤ値を組合せる手段が弁オン時間信号を
   発生するために次の関係、 ▲数式、化学式、表等があります▼ 式中、Ｔ＝弁オン時間、 Ｅ＝流れ時間−設定点、 Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３は経験的に決定される定数である、 を採用する特許請求の範囲第１項に記載の装置。 ３、エラー及び弁オン時間信号の絶対値を制限してイン
   ク・ジェット・システムに固有の電子ノイズの作用を減
   少するクリップ器手段を更に含む特許請求の範囲第１項
   に記載の装置。 ４、前記クリップ器手段がエラー及び弁オン時間信号を
   伴うために前記クリップ器手段の限界を周期的に調節す
   るフィードバック手段を含む特許請求の範囲第３項に記
   載の装置。 ５、第１及び第２のノイズ濾波器手段を更に含み、該第
   １の濾波器手段が微分値（Ｄ）を前記作動手段から濾波
   し、前記第２の濾波器手段が出力を前記組合せ手段から
   濾波する特許請求の範囲第１項に記載の装置。 ６、前記濾波器手段が二サイクル濾波器である特許請求
   の範囲第５項に記載の装置。 ７、前記作動手段が、エラー信号（ｄＥ／ｄｔ）の傾斜
   の大きさが小さい時に積分値Ｉの変化を禁止する手段を
   含み、それにより設定点の過小シュート及び過大シュー
   トを実質的に減少する特許請求の範囲第１項に記載の装
   置。 ８、禁止手段が、 （イ）エラー信号が正であり且つ（ｄＥ／ｄｔ）が−０
   ．０２より小さい時、及び （ロ）エラー信号が負であり且つ（ｄＥ／ｄｔ）が＋０
   ．０２より大きい時、 に値Ｉ項の変化を禁止する特許請求の範囲第７項に記載
   の装置。 ９、前記作動手段がエラー信号及びその微分商を合算す
   ることによって積分値を発生する特許請求の範囲第７項
   に記載の装置。 １０、インク溜と、前記溜によって供給される印字ヘッ
   ドと、インク流量を測定する手段と、調合用インクの供
   給源と、調合用インクを前記溜へ加えて流量を設定点値
   に維持するための制御可能な手段とを含むインク・ジェ
   ット・システムにおいて、 （イ）設定点値を実際の流量と周期的に比較してエラー
   信号を発生する手段と、 （ロ）前記エラー信号で作動してそれから導出される比
   例（Ｐ）、微分（Ｄ）及び積分（Ｉ）値を発生する手段
   と、 （ハ）Ｐ、Ｉ及びＤ値を組合せて前記インク弁を制御す
   るための弁オン時間信号を発生する手段とを具備し、 それによりインクがインク・ジェット・システムから蒸
   発するにつれて前記弁が調合用インクを前記システムへ
   加えるように作動されるシステム。