(57)【要約】【課題】インクジェットヘッドにおいて、印刷前および印刷中に圧電体素子の不良発生および圧力室内の気泡発生によるインク不吐出を検出する手段を提供すること。【解決手段】本発明のインクジェットプリンタは、圧電体素子１４駆動時の電流の振動により共振周波数を測定する共振周波数測定部５２と、基準となる共振周波数データ及び測定結果を記憶する記憶部５３と、測定結果と前記共振周波数データとを対比する演算部５４とを有する。圧電体素子１４駆動時の共振周波数の変化を測定することにより圧電体素子１４の不良発生および圧力室３の気泡発生によるインク不吐出を検知する。【選択図】　　　　　図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
インクを蓄える圧力室と、電気信号の印加により前記圧力室内に圧力変動を発生させる圧電体素子と、前記圧力室の壁面の少なくとも一部を形成して圧電体素子と弾性材料で連結されている振動板と、前記圧力室にインクを供給する流路であるリストリクタと、該リストリクタにインクを供給する共通インク通路を有するハウジングと、圧力室からのインクを吐出するノズルとを備えるインクジェットヘッドを有するインクジェットプリンタにおいて、
前記圧電体素子毎に共振周波数を測定する共振周波数測定手段と、基準となる共振周波数データ及び測定結果データを記憶する記憶手段と、前記共振周波数測定手段の測定結果と前記共振周波数データとを対比し、前記圧電体素子の不良発生や前記圧力室内の気泡発生の判定を行なう演算手段とを有することを特徴とするインクジェットプリンタ。
【請求項２】
前記共振周波数測定手段は、前記インクジェットヘッドのインク吐出時において、前記圧電体素子の電流を測定する電流測定手段と、前記電流値を周波数分解し、ピークとなる周波数を選択する演算手段とを備えることを特徴とする請求項１記載のインクジェットプリンタ。
【請求項３】
前記圧力室がインク空の状態の時の前記圧電体素子の共振周波数をｆ１、ある許容値をもった基準となる値をｆ２とし、前記共振周波数測定手段により測定した前記圧電体素子の共振周波数をｆ３としたとき、
ｆ３＜ｆ２　または　ｆ１＜ｆ３
の関係が成り立つ場合、前記圧電体素子の不良と判定することを特徴とする請求項１および２記載のインクジェットプリンタ。
【請求項４】
前記圧力室がインク空の状態の前記圧電体素子の共振周波数をｆ１、ある許容値をもった基準となる値をｆ２とし、前記共振周波数測定手段により測定した前記圧電体素子の共振周波数をｆ３としたとき、
ｆ２＜ｆ３≦ｆ１
の関係が成り立つ場合、前記圧力室に気泡があると判定することを特徴とする請求項１乃至３記載のインクジェットプリンタ。
【請求項５】
前記基準となる値ｆ２は、中央値に対し±３％の範囲にあることを特徴とする請求項３または４に記載のインクジェットプリンタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電体素子に電気信号を印加して圧電体素子を変形し、発生する圧力によってインク滴を飛翔させ記録媒体にインク像を形成するインクジェット方式プリンタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、圧電体素子により圧力室を押圧し、ノズルからインクを吐出させるインクジェットヘッドが知られている。図１に、圧電体素子を用いたインクジェットヘッドの例を示す。圧電体素子の端面にセラミック部材を有し、前記圧電体素子の振動面をノズルの入口開口部に対向して配置し、ハウジングに接着して固定されたものである。
【０００３】
インクジェットヘッドよりインク滴を吐出させるには、個別電極及び共通電極に外部駆動電源より電気信号を印加し圧電体素子を変形させる。この変形が振動板を介し圧力室の体積変化となり、圧力室内に満たされるインクへの圧力変化となる。この圧力変化により、インクはノズルからインク滴として吐出する。
【０００４】
インクジェットヘッドは、印刷媒体の大判化や高速印刷化が進み、ノズル数が多くなる傾向にある。ノズル数が増える共にインクの不吐出を生じるノズルも増加する。不吐出が生じる原因として、大気中や記録媒体から剥離する異物がノズルに付着しノズルを塞ぐ場合や、インク自体が固形化しノズルが目詰まりを起こす場合、および、圧力室内に気泡が溜まり圧電体素子の変位が圧力室に伝わらない場合、さらに、圧電体素子自体の不良発生の場合が挙げられる。特に、インクカートリッジの交換時には、流路内に気泡が流入しやすく、流入した気泡が圧力室内に溜まり、不吐出ノズルが発生し易い。
【０００５】
インクジェット印刷において、インクの不吐出は印刷品質を低下させるため、インクの不吐出を検知することが必要となる。特開平１１−３３４１０２に開示されているように、圧電体素子のインピーダンスの周波数特性により、圧力室内に気泡が付着しているかを判別する方法が提案されている。
【０００６】
不吐出が検出された場合、ノズル側からの吸引パージやインク供給側からの加圧パージ、およびノズル面をシリコンゴム等で清掃するなどの保全動作を行なう。保全動作により異物や目詰まり、気泡が取り除かれ不吐出を解消する。
【０００７】
また、圧電体素子の不良に関しては、特開平１１−６４１７５や特開２０００−１３８５１４に開示されているように、製造時に圧電体素子のインピーダンスの周波数特性を測定し、圧電体素子の不良検出を行なう方法が提案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の圧電体素子のインピーダンス特性を測定する気泡の検出は、インピーダンスの測定中は、圧電体素子を駆動してインクの吐出をすることが出来ない。また、インピーダンスの測定には時間がかかるため、印刷開始前や印刷を中断して行う必要があった。
【０００９】
また、保全動作を繰り返しても回復しない場合、圧電体素子に不良発生と推定することとなるが、前記気泡検出手段では、圧電体素子の不良の判定は行なわれていないため、最終的に圧電体素子の不良と判断するためには、インクジェットヘッドをプリンタから取り外して検査する必要があった。
【００１０】
本発明は、このような問題点を解決するもので、その目的とするところは、印刷中における圧電体素子の不良発生や圧力室内の気泡によるインクの不吐出を検出する手段を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明では、インクを蓄える圧力室と、電気信号の印加により前記圧力室内に圧力変動を発生させる圧電体素子と、前記圧力室の壁面の少なくとも一部を形成して圧電体素子と弾性材料で連結されている振動板と、前記圧力室にインクを供給する流路であるリストリクタと、該リストリクタにインクを供給する共通インク通路を有するハウジングと、圧力室からのインクを吐出するノズルとを備えるインクジェットヘッドを有するインクジェットプリンタにおいて、前記圧電体素子毎に共振周波数を測定する共振周波数測定手段と、基準となる共振周波数データ及び測定結果データを記憶する記憶手段と、前記共振周波数測定手段の測定結果と前記共振周波数データとを対比し、前記圧電体素子の不良発生や前記圧力室内の気泡発生の判定を行なう演算手段とを有することを特徴とする。このことにより、圧電体素子の共振周波数の変化を測定し、インク不吐出を検出することが可能となる。
【００１２】
また、前記共振周波数測定手段は、前記インクジェットヘッドのインク吐出時において、前記圧電体素子の電流を測定する電流測定手段と、前記電流値を周波数分解し、ピークとなる周波数を選択する演算手段とを備えることを特徴とする。このことにより、インク吐出中に前記圧電体素子の共振周波数の測定ができる。
【００１３】
また、前記圧力室がインク空の状態の時の前記圧電体素子の共振周波数をｆ１、ある許容値をもった基準となる値をｆ２とし、前記共振周波数測定手段により測定した前記圧電体素子の共振周波数をｆ３としたとき、ｆ３＜ｆ２またはｆ１＜ｆ３の関係が成り立つ場合、前記圧電体素子の不良と判定することを特徴とする。このことにより、圧電体素子の不良発生を検出することができる。
【００１４】
また、前記圧力室がインク空の状態の前記圧電体素子の共振周波数をｆ１、ある許容値をもった基準となる値をｆ２とし、前記共振周波数測定手段により測定した前記圧電体素子の共振周波数をｆ３としたとき、ｆ２＜ｆ３≦ｆ１の関係が成り立つ場合、前記圧力室に気泡があると判定することを特徴とする。このことにより、圧力室内の気泡の有無を判定できる。
【００１５】
更に、前記基準となる値ｆ２は、中央値に対し±３％の範囲にあることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を実施例に基づき図面を参照して説明する。
【００１７】
図１は、本発明のインクジェットヘッド１０の主要部の構造説明斜視図である。複数のノズル１を形成したノズルプレート２において、ノズル１の開口形状の加工精度はインクジェットヘッド１０のインク吐出特性に大きな影響を及ぼす。複数のノズル１間において、これらのノズル精度ばらつきを低く押さえるためにも、ノズルプレート２の製法は高い加工精度が要求される。この為、ノズルプレート２はステンレスの精密プレス法、レーザ加工法あるいはニッケルの電鋳加工等により形成される。
【００１８】
このノズルプレート２に、圧力室３が形成されたチャンバプレート４、及び共通インク通路１２と圧力室３とを連結し、圧力室３へのインク流入を制御するリストリクタ５を形成したリストリクタプレート６を位置決めして接合する。
【００１９】
更に、ダイアフラムプレート９は、圧電体素子の圧力を効率よく圧力室３に伝えるための振動板７と、共通インク通路１２からリストリクタ５へと流入するインク中のゴミ等を取り除くフィルタ部８とを有する。このダイアフラムプレート９と共通インク通路１２を形成したハウジング１１とを同じように位置決めして接合する。
【００２０】
チャンバプレート４、リストリクタプレート６、ダイアフラムプレート９は、ステンレス材のエッチング加工法またはニッケル材の電鋳加工法で作られる。ハウジング１１はステンレス材の切削加工等で形成され、インクカートリッジ３１からインクを共通インク通路１２まで導くインク導入パイプ２０が接合されている。
【００２１】
最後に、複数の圧電体素子１４と、それを固定する支持基板１５からなる圧電アクチュエータ１３を位置決めして接合する。圧電アクチュエータ１３は複数の圧電体素子１４からなり、各々の圧電体素子１４は圧力室３の一つずつに対応するようになっている。更に、支持基板１５には、それぞれの圧電体素子１４に外部駆動回路２１から独立した電気信号を送るための個別電極１６が形成されている。外部駆動回路２１から選択的な電気信号が圧電体素子１４に印加されることにより、圧電体素子１４はひずみを生じる。圧電体素子１４は高剛性の支持基板１５上に接合されているため、振動板７に優先的に変位を与え、圧力室３の圧力を高める。本実施例にて説明するインクジェットヘッド１０は、こうした原理によってノズル１からインクを吐出して記録媒体３６上にインク画像を形成する装置に用いられる。
【００２２】
図２に、本発明を用いた例として、シリアル方式インクジェットプリンタを示す。
【００２３】
インクジェットヘッド１０とこのインクジェットヘッド１０にインクを供給するインクカートリッジ３１を搭載した記録ユニット３２は、ガイドシャフト３３に対して摺動自在に支持されると共に動力伝達部材３４に連結されており、駆動源３５によりガイドシャフト３３に沿って往復運動する。一方、記録媒体３６はインクジェットヘッド１０のノズル面３７と対向し、記録ユニット３２の移動方向に直交する方向に搬送ロール３８によって搬送される。記録媒体３６にはインクジェットヘッド１０のノズル１より記録信号に応じてインクが噴射され、画像が形成される。インクジェットヘッドを制御する制御基板２２はケーブル２３によってインクジェットヘッド１０に接続されている。制御基板２２内には、図３に示す外部駆動回路２１やヘッド制御部５５および共振周波数測定部５２や演算部５４など、インクジェットヘッド１０の制御に関わる回路が配置されている。
【００２４】
記録領域外に設けられたパージキャップ３９は、ゴム等の弾性体からなる。非記録時に、記録ユニット３２がパージキャップ３９の上方まで移動し、パージキャップ３９は、図示していない動力源によりノズル面３７をキャッピングする。多くの場合、キャップ内にはインク吸引の際の吸引容易化、キャップ内雰囲気湿潤化等のため、インク吸収シート４０が備えられている。また、パージキャップ３９の底面にはチューブ４１の一端が連結されており、チューブ４１は吸引ポンプ４２を介してキャップ内を負圧にすることが可能であり、インクジェットヘッド１０より吸引されたインクは、チューブ４１の他端側に設けられた排インク室４３へ排出される。ワイパ４４はゴムなどの弾性体からなり、記録ユニット３２がワイパ４４を通過する際に、ノズル面３７と接触することでノズル面３７に溜まったインクや異物を取り除く。
【００２５】
なお、本例ではシリアル方式記録装置について記載しているが、印刷時にヘッドが定位置に保持される（静止する）ラインヘッド方式の記録装置であっても、ワイピング、キャッピング時に印刷時の定位置から一時退避することにより、シリアル方式と同様の方法でノズル保全が可能である。
【００２６】
図３に、本発明の構成を示す。
【００２７】
図３において、圧電体素子１４にはスイッチング部５１を経由して外部駆動回路２１および共振周波数測定部５２が接続されている。共振周波数測定部５２内では、電流計６０が外部駆動回路２１から圧電体素子１４に流れる電流を測定する。ＦＦＴ演算部６１は電流計６０からの電流値をフーリエ変換することにより周波数分解し、ピークとなる周波数を共振周波数として出力する。記憶部５３には共振周波数の基準データが格納されている。演算部５４には共振周波数測定部５２および記憶部５３が接続されており、測定された共振周波数データと基準データとを対比し、気泡の有無を判定する。上記各部はヘッド制御部５５により制御される。メインコントローラ５６は、搬送機構や保全機構など、図示されないプリンタ各部への指令を送る。
【００２８】
圧電体素子１４は一端を支持基板１５に固定されており、先端が振動板７に接着されている。圧電体素子１４の振動は固定板側が固定端となり、振動板７側はバネマス系における質量のついた自由端の振動として考えることができる。圧電体素子１４の長さや剛性、質量により共振周波数は固有の値となる。この機械的な共振は、例えば、圧電体素子１４の周波数−インピーダンス特性や、圧電体素子１４駆動時における残留振動による電流の振動周期として電気的に測定することができる。
【００２９】
圧電体素子１４の共振周波数を測定するために、本発明においては、圧電体素子１４駆動時の残留振動による電流の振動を測定する。
【００３０】
図４に、インクを充填したときの圧電体素子１４の電圧および電流の例を示す。
【００３１】
共振周波数の周期の振動が圧電体素子１４の残留振動として現れ、電気的には電流の振動となる。図では、圧電体素子１４駆動後の電流の振動周期は約３．１μｓであり，共振周波数は３２５ｋＨｚとなる。
【００３２】
今回実施例として用いたインクジェットヘッドでは、共振周波数は２００〜５００ｋＨｚ程度となり、フーリエ変換による周波数分解において共振周波数以外でピークとなる圧電体素子１４の駆動周波数およびインクのヘルムホルツ周波数など、他の周波数は１００ｋＨｚ以下となり、共振周波数と容易に選別できる。従来のインピーダンスの周波数特性を測定して共振周波数を測定する手法に対する本例の利点は、インク吐出中にも共振周波数の測定が可能な点である。
【００３３】
次に、本発明での、圧電アクチュエータ１３の不良発生による不吐出検出の方法について説明する。
【００３４】
インクジェットヘッド１０における圧電アクチュエータ１３の不良発生は、圧電体素子１４−振動板７間の剥がれ、および圧電体素子１４の折れ・クラック等による損傷の２つのパターンに大別できる。
【００３５】
圧電体素子１４が振動板７から剥がれた場合、圧電体素子１４の自由端の質量が減少することになり、共振周波数の増大として検出できる。また、圧電体素子１４が損傷した場合、共振周波数は異常な値を示し、圧電アクチュエータ１３の不良が検出できる。
【００３６】
本実施例の実験においては、正常時に平均３２５ｋＨｚの共振周波数を示す圧電体素子１４に剥がれが生じた時、共振周波数は圧電体素子１４を振動板７に接着する前の値である３７０ｋＨｚ近くまで増大した。また、圧電体素子に損傷を生じた場合、電流が流れず、共振周波数を測定できなくなった。
【００３７】
上記のような圧電アクチュエータ１３の不良が発生した場合は、圧力室３がインク空の状態の圧電体素子１４の共振周波数とインクが充填された状態の共振周波数の区間外となる。
【００３８】
次に、本発明の圧力室３内の気泡による不吐出検出方法について説明する。共振周波数測定部５２は、圧力室３内の気泡の発生を圧電体素子１４の共振周波数の変化として検出するものである。
【００３９】
この振動板７側の質量は、圧力室３内のインクおよび気泡の有無で増減し、これに伴い共振周波数も変動する。圧力室３に気泡がない場合は、圧電体素子１４の自由端の質量が増加し、共振周波数が低下する。インクが完全に充填された状態では自由端の質量も一定となり、一定の共振周波数となる。しかし、気泡がある場合、圧電体素子１４の自由端の質量が減少し、共振周波数が増加する。
【００４０】
一例として、図５に圧力室３内に気泡がある場合と気泡がない場合の、圧電体素子１４駆動時の残留振動による電流を示す。圧力室３に気泡がない場合は、電流の振動周波数は３２５ｋＨｚとなり、気泡がある場合は３４０ｋＨｚとなった。なお、記憶部５３にはインクジェットヘッド１０製造時に圧力室３が空の状態の共振周波数データおよび、インクが充填された状態の共振周波数データを格納しておく。格納する共振周波数データは、インクジェットヘッド１０毎に製造時に測定する個別のデータでもよいし、計算値でも平均値でもよい。インクをヘッドに充填する場合やインクカートリッジ３１を交換した場合などインクジェットヘッド１０内に気泡の混入が見込まれる時や、印刷開始前、さらに印刷中において共振周波数を測定対比することで、圧電体素子１４の不良や圧力室３内の気泡による不吐出を検出することが可能となる。
【００４１】
前述のインクジェットプリンタにおける、一連の不吐出検査の処理について、図６に示すフローチャートに基づいて説明する。
【００４２】
図６に示す不吐出検査の処理は、プリンタ電源投入時、インクカートリッジ３１の交換後、印刷開始前、保全動作実施時および印刷動作中に行う。印刷動作中以外の前記各動作では、インクジェットヘッド１０は、パージキャップ３９によりキャップをした状態でインクを吐出して検査してもよい。
【００４３】
記憶部５３に記憶されている共振周波数データは、圧力室３がインク空の状態の共振周波数ｆ１、および、正常にインクが充填された状態の共振周波数ｆ２の２種類とする。ここで、インクが充填された状態の方が共振周波数は小さくなるので、ｆ２＜ｆ１である。
【００４４】
本実施例のインクジェットヘッドの例では、インク室空の状態の共振周波数ｆ１が３５０ｋＨｚ、インクが充填された状態の共振周波数が３２５ｋＨｚであった。
（ステップＳ１）
インクの吐出周期に同期して、スイッチング部５１を切り替え、共振周波数を測定するノズル１を選択する。選択するノズル１は、圧電体素子１４の駆動を行うノズル１である。
（ステップＳ２）
共振周波数測定を行う。ステップＳ１で選択した圧電体素子１４の共振周波数を共振周波数測定部５２で測定する。得られる測定結果をｆ３として、記憶部５３に記憶する。
（ステップＳ３）
記憶部５３に格納されたインクが完全に充填された状態のデータｆ２と比較する。
｜ｆ２−ｆ３｜＜δ
であれば、圧電体素子１４は正常で、圧力室３内にも気泡が無く吐出可能と判定し、ステップＳ７へ進む。基準外となった場合、ステップＳ４に進む。
【００４５】
本実施例の実験では、圧力室３が、インク空の時の共振周波数ｆ１＝平均３５０ｋＨｚの時、インク充填後の共振周波数が３２５ｋＨｚ前後となれば、正常の吐出が得られた。また、δ＝１０ｋＨｚ、つまり、ｆ２の３％のばらつきの範囲であれば正常な吐出が得られた。
（ステップＳ４）
ステップＳ３で基準外となった原因が、圧電体素子１４の不良発生か圧力室３の気泡発生かの判断を行う。
ｆ３＜ｆ２　または　ｆ１＜ｆ３
となった場合、圧電体素子１４の不良と判定し、ステップＳ５に進む。また、
ｆ２＜ｆ３≦ｆ１
であれば、圧力室３の気泡発生と判定し、ステップＳ６に進む。
（ステップＳ５）
圧電体素子１４の不良すなわち、インクジェットヘッド１０の異常として、エラーの表示を行ない終了する。印刷動作中の場合、印刷動作を停止する。
（ステップＳ６）
圧力室３内の気泡を排出するための保全動作を行う。印刷動作中の場合、印刷を一旦停止する。保全動作はノズル１側からの吸引やインクカートリッジ３１側から加圧して、パージキャップ３９によりインクと気泡を強制的に排出する。インクジェットヘッド１０全体にパージを行ってもよいし、気泡を検出したノズル１に対し実施してもよい。保全動作を行なった後、再度ステップＳ１にて、該当圧電体素子１４の共振周波数の測定を行ない、気泡の排出を確認する。
（ステップＳ７）
ステップＳ３で吐出可能と判定された場合、ステップＳ７で測定が終了したか判定する。測定が終了していない場合、ステップＳ１に戻る。測定を終了するのは、全てのノズルの測定が一巡した時でもよいし、印刷動作が終了した時でもよい。
【００４６】
上記検査は、印刷動作時以外の検査の場合は、全てのノズル１について少なくとも一回は測定を実施すればよい。印刷動作時の検査では、測定するノズル１を変えながら印刷動作が終了するまで、複数回測定を行ってもよい。
【００４７】
なお、圧電体素子１４の共振周波数は、長さや質量等、圧電体素子１４の仕様によって変わる値であり、本発明における判定基準の値や範囲は、具体例として挙げた圧電体素子１４の共振周波数の値に限定されるものではない。実際に用いる判定基準の値は、上記のような実験により決定される値である。
【００４８】
【発明の効果】
本発明は、印刷開始前や印刷動作中に、圧電体素子の共振周波数の変化から圧電体素子の不良の発生および圧力室内の気泡発生による不吐出を検出可能とする。これにより、印刷中にインク不吐出が発生して印刷品質が低下することを防止可能である。
【００４９】
また、圧力室内の気泡の除去を確認できるため、最低限の保全動作で済ますことが可能である。
【００５０】
さらに、圧電体素子の不良発生が分かるため、圧電体素子不良発生時には無駄な保全動作を繰り返す必要がなくなり、時間とインクを節約することができ、インクジェットヘッドの交換をする必要性を知ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】インクジェットヘッドを示す斜視図である。
【図２】インクジェットプリンタの一実施の形態を示す概略図である。
【図３】本発明の実施の形態を示すブロック図である。
【図４】駆動電圧と駆動電流を示すグラフである。
【図５】気泡の有無により駆動電流の違いを示すグラフである。
【図６】本発明の実施の形態を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１はノズル、２はノズルプレート、３は圧力室、５はリストリクタ、７は振動板、９はダイアフラムプレート、１０はインクジェットヘッド、１１はハウジング、１３は圧電アクチュエータ、１４は圧電体素子、１５は支持基板、２１は外部駆動回路、２２は制御基板、３９はパージキャップ、４４はワイパ、５１はスイッチング部、５２は共振周波数測定部、５３は記憶部、５４演算部、５５はヘッド制御部、５６はメインコントローラ、６０は電流計、６１はＦＦＴ演算部を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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