(57)【要約】【課題】液摘吐出ヘッドのキャビティ内へのインクの充填は、実験等で求めたインクの排出量を超えて充分と想定される排出量を得るように吸引ポンプによる吸引力および吸引時間を設定していた。従って、排出されるインクの量が必要以上に多くなり、キャビティ内へインクを充填する際のインクの消費量が増大した。【解決手段】本発明に係る液体充填装置は、キャビティ内に設けられた振動板の残留振動を検出する残留振動検出手段と、前記残留振動検出手段によって検出された前記振動板の残留振動の振動パターンに基づいて、前記キャビティ内への液体の充填の完了を判定し、前記液体充填手段による充填を終了する液体充填判定手段とを備える。【選択図】図１２
2005153152.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャビティ内に設けられた振動板の振動により、内部の圧力が増減する当該キャビティに対して、液体を充填する液体充填手段を有する液体充填装置であって、
前記振動板の残留振動を検出する残留振動検出手段と、
前記残留振動検出手段によって検出された前記振動板の残留振動の振動パターンに基づいて、前記キャビティ内への液体の充填の完了を判定し、前記液体充填手段による充填を終了する液体充填判定手段とを備えることを特徴とする液体充填装置。
【請求項２】
請求項１に記載の液体充填装置において、
前記残留振動検出手段は、前記振動板の残留振動を電気信号に変換するとともに、
前記液体充填判定手段は、前記電気信号の周波数変動に基づいて判定することを特徴とする液体充填装置。
【請求項３】
前記液体充填装置は、インクジェットプリンタを含む請求項１乃至２のいずれかに記載の液体充填装置。
【請求項４】
振動板と、前記振動板を変位させるアクチュエータと、内部に液体が充填され、前記振動板の変位により該内部の圧力が増減されるキャビティとを有する１つ以上の液滴吐出ヘッドに対して、前記キャビティに連通した供給路から液体を供給し、前記キャビティ内への液体の充填の完了を判定する液滴吐出ヘッドへの液体充填検出・判定方法であって、
前記供給路から供給される前記液体を前記キャビティ内に供給する液体供給工程と、
前記アクチュエータが駆動することにより、前記振動板を振動させる加振工程と、
前記アクチュエータが前記振動板の残留振動を検出する振動検出工程と、
前記残留振動の周波数変動に基づいて、前記キャビティ内への液体の充填の完了を判定し、前記キャビティへの前記液体の供給を終了する充填判定工程とを備えていることを特徴とする液滴吐出ヘッドへの液体充填検出・判定方法。
【請求項５】
請求項４に記載の液滴吐出ヘッドへの液体充填検出・判定方法において、前記供給路の長さが略最短の液摘吐出ヘッドについて、前記キャビティへの液体充填検出および充填の完了の判定を前記方法で行った後、前記供給路の長さが略最長の液摘吐出ヘッドについて、前記キャビティへの液体充填検出および充填の完了の判定を前記方法で行うことを特徴とする液滴吐出ヘッドへの液体充填検出・判定方法。
【請求項６】
請求項５に記載の液滴吐出ヘッドへの液体充填検出・判定方法において、前記キャビティ内に前記液体を供給する供給速度を、前記供給路の長さに応じて定めることを特徴とする液滴吐出ヘッドへの液体充填検出・判定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インクジェットプリンタで用いられる液摘吐出ヘッドへのインク充填のような液体充填装置および液滴吐出ヘッドへの液体充填検出・判定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、インクジェットプリンタで用いられる液摘吐出ヘッドの有するキャビティ内への液体充填装置は、下記の特許文献１に記載のように、液摘吐出ヘッドの有するノズルをキャップで覆い、吸引ポンプにより、予め定めた吸引力および吸引時間でノズルの吐出する側から液体のインクを真空吸引することにより、キャビティ内にインクを充填していた。
【特許文献１】特開２０００−８５１５３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記の装置では、キャビティ内へのインクの充填に必要なノズルからのインクの排出量を実験等で求め、前記排出量を超えて充分と想定される排出量を得るように吸引ポンプによる吸引力および吸引時間を設定していた。従って、排出されるインクの量が必要以上に多くなり、キャビティ内へインクを充填する際のインクの消費量が増大するという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記した課題を解決するために、本発明の液体充填装置は、キャビティ内に設けられた振動板の振動により、内部の圧力が増減する当該キャビティに対して、液体を充填する液体充填手段を有する液体充填装置であって、前記振動板の残留振動を検出する残留振動検出手段と、前記残留振動検出手段によって検出された前記振動板の残留振動の振動パターンに基づいて、前記キャビティ内への液体の充填の完了を判定し、前記液体充填手段による充填を終了する液体充填判定手段とを備えることを特徴とする。
【０００５】
上記構成によれば、液体充填判定手段により、キャビティ内への液体の充填の完了を判定して、液体充填手段による充填を終了するため、キャビティ内へ液体の充填する際の液体の無駄な消費を抑えることができる。
【０００６】
本発明の液体充填装置では、前記残留振動検出手段は、前記振動板の残留振動を電気信号に変換するとともに、前記液体充填判定手段は、前記電気信号の周波数変動に基づいて判定することが好ましい。
【０００７】
上記構成によれば、振動板の残留振動を電気信号に変換することで、残留振動の数値化および残留振動の周波数の解析が容易になるため、電気信号の周波数を高精度で検出でき、検出した電気信号の周波数の変動に基づいて、液体の充填判定が高い精度でできる。
【０００８】
本発明の液滴吐出ヘッドへの液体充填検出・判定方法は、振動板と、前記振動板を変位させるアクチュエータと、内部に液体が充填され、前記振動板の変位により該内部の圧力が増減されるキャビティとを有する１つ以上の液滴吐出ヘッドに対して、前記キャビティに連通した供給路から液体を供給し、前記キャビティ内への液体の充填の完了を判定する液滴吐出ヘッドへの液体充填検出・判定方法であって、前記供給路から供給される前記液体を前記キャビティ内に供給する液体供給工程と、前記アクチュエータが駆動することにより、前記振動板を振動させる加振工程と、前記アクチュエータが前記振動板の残留振動を検出する振動検出工程と、前記残留振動の周波数変動に基づいて、前記キャビティ内への液体の充填の完了を判定し、前記キャビティへの前記液体の供給を終了する充填判定工程とを備えていることを特徴とする。
【０００９】
上記方法によれば、上記液体充填装置と同じ効果を得ることができるのに加えて、振動板に振動を与えるとアクチュエータと、振動板の残留振動を検出するアクチュエータとを同一のアクチュエータで構成できるため、液滴吐出ヘッドを小型化できる。
【００１０】
本発明の液滴吐出ヘッドへの液体充填検出・判定方法は、前記供給路の長さが略最短の液摘吐出ヘッドについて、前記キャビティへの液体充填検出および充填の完了の判定を前記方法で行った後、前記供給路の長さが略最長の液摘吐出ヘッドについて、前記キャビティへの液体充填検出および充填の完了の判定を前記方法で行うことが好ましい。
そして、好ましくは、前記キャビティ内に前記液体を供給する供給速度を、前記供給路の長さに応じて定める。
【００１１】
上記方法によれば、インクの供給路が異なる複数の液摘吐出ヘッドについても、インクの供給路に応じて、前記キャビティ内に前記液体を供給する供給速度を定めるため、供給路の長さが短い液摘吐出ヘッドからの無駄なインクの排出を抑えることができるのに加えて、供給速度が大きすぎる場合に生じる液滴吐出ヘッドの吐出側からの気泡の巻き込みを防止することができる。
【００１２】
そして、好ましくは、前述の液体充填装置はインクジェットプリンタを含むことで、インクカートリッジを交換した際の、インク充填作業で無駄なインクの消費量を抑えるとともに、インクの充填を確実に行い、インクの充填不良のない信頼性が高いインクジェットプリンタを提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について、液体充填装置の一例として、インク（液体材料）を吐出して記録用紙に画像をプリントするインクジェットプリンタを用いて説明する。
【実施例】
【００１４】
図１は、本発明の実施例に係る液体充填装置の一種であるインクジェットプリンタ１の構成を示す概略図である。なお、以下の説明では、図１中、上側を「上部」、下側を「下部」という。まず、このインクジェットプリンタ１の構成について説明する。
図１に示すインクジェットプリンタ１は、装置本体２を備えており、上部後方に記録用紙５８を設置するトレイ２１と、下部前方に記録用紙５８を排出する排紙口２２と、上部面に操作パネル７とが設けられている。
【００１５】
操作パネル７は、例えば、液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ、ＬＥＤランプ等で構成され、エラーメッセージ等を表示する表示部（図示せず）と、各種スイッチ等で構成される操作部（図示せず）とを備えている。
また、装置本体２の内部には、主に、往復動する印字手段（移動体）３を備える印刷装置（印刷手段）４と、記録用紙５８を１枚ずつ印刷装置４に送り込む給紙装置（給紙手段）５と、印刷装置４及び給紙装置５を制御する制御部（制御手段）６とを有している。
【００１６】
制御部６の制御により、給紙装置５は、記録用紙５８を一枚ずつ間欠送りする。この記録用紙５８は、印字手段３の下部近傍を通過する。このとき、印字手段３が記録用紙５８の送り方向とほぼ直交する方向に往復移動して、記録用紙５８への印刷が行なわれる。すなわち、印字手段３の往復動と記録用紙５８の間欠送りとが、印刷における主走査及び副走査となって、インクジェット方式の印刷が行なわれる。
【００１７】
印刷装置４は、印字手段３と、印字手段３を主走査方向に移動させる駆動源となるキャリッジモータ４１と、キャリッジモータ４１の回転を受けて、印字手段３を往復動させる往復動機構４２とを備えている。
印字手段３は、その下部に、多数のノズル１１０を備えるインクの種類に対応した複数のヘッドユニット３５と、各ヘッドユニット３５にインクを供給する複数のインクカートリッジ（Ｉ／Ｃ）３１と、各ヘッドユニット３５及びインクカートリッジ３１を搭載したキャリッジ３２とを有している。
【００１８】
また、ヘッドユニット３５は、図５において後述するように、それぞれ一つの、ノズル１１０と、振動板１２１と、静電アクチュエータ１２０と、キャビティ１４１と、インク供給口１４２等で構成されたインクジェット方式の記録ヘッド（以下、液滴吐出ヘッドに統一）１００を多数備えている。なお、ヘッドユニット３５は、図１ではインクカートリッジ３１を含んだ構成を示しているが、このような構成に限定されない。例えば、インクカートリッジ３１を別に固定し、チューブなどによってヘッドユニット３５に供給されるようなものでもよい。したがって、以下において、印字手段３とは別に、それぞれ一つの、ノズル１１０と、振動板１２１と、静電アクチュエータ１２０と、キャビティ１４１と、インク供給口１４２等で構成された液滴吐出ヘッド１００を複数設けたものをヘッドユニット３５と称するものとする。
【００１９】
なお、インクカートリッジ３１として、イエロー、シアン、マゼンタ、ブラック（黒）の４色のインクを充填したものを用いることにより、フルカラー印刷が可能となる。この場合、印字手段３には、各色にそれぞれ対応したヘッドユニット３５が設けられることになる。ここで、図１では、４色のインクに対応した４つのインクカートリッジ３１を示しているが、印字手段３は、その他の色、例えば、ライトシアン、ライトマゼンダ、ダークイエローなどのインクカートリッジ３１をさらに備えるように構成されてもよい。
【００２０】
往復動機構４２は、その両端をフレーム（図示せず）に支持されたキャリッジガイド軸４２２と、キャリッジガイド軸４２２と平行に延在するタイミングベルト４２１とを有している。
キャリッジ３２は、図３において後述するように、往復動機構４２のキャリッジガイド軸４２２に往復動自在に支持されるとともに、タイミングベルト４２１の一部に固定されている。
【００２１】
キャリッジモータ４１の作動により、プーリを介してタイミングベルト４２１を正逆走行させると、キャリッジガイド軸４２２に案内されて、印字手段３が往復動する。そして、この往復動の際に、印刷されるイメージデータ（印刷データ）に対応して、ヘッドユニット３５内に複数備える液滴吐出ヘッド１００のノズル１１０から適宜インクが吐出され、記録用紙５８への印刷が行われる。
【００２２】
給紙装置５は、その駆動源となる給紙モータ５１と、給紙モータ５１の作動により回転する給紙ローラ５２とを有している。
給紙ローラ５２は、記録用紙５８の送り経路を挟んで上下に対向する従動ローラ５２ａと駆動ローラ５２ｂとで構成され、駆動ローラ５２ｂは給紙モータ５１に連結されている。これにより、給紙ローラ５２は、トレイ２１に設置した多数枚の記録用紙５８を、印刷装置４に向かって１枚ずつ送り込めるようになっている。なお、トレイ２１に代えて、記録用紙５８を収容する給紙カセットを着脱自在に装着し得るような構成であってもよい。
【００２３】
制御部６は、例えば、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）やディジタルカメラ（ＤＣ）等のホストコンピュータ８から入力された印刷データに基づいて、印刷装置４や給紙装置５等を制御することにより記録用紙５８に印刷処理を行うものである。また、制御部６は、操作パネル７の表示部にエラーメッセージ等を表示させ、あるいはＬＥＤランプ等を点灯／点滅させるとともに、操作部から入力された各種スイッチの押下信号に基づいて、対応する処理を各部に実行させるものである。
【００２４】
図２は、本発明のインクジェットプリンタの主要部を概略的に示すブロック図である。この図２において、本発明のインクジェットプリンタ１は、ホストコンピュータ８から入力された印刷データなどを受け取るインターフェース部（ＩＦ：Interface）９と、制御部６と、キャリッジモータ４１と、キャリッジモータ４１を駆動制御するキャリッジモータドライバ４３と、給紙モータ５１と、給紙モータ５１を駆動制御する給紙モータドライバ５３と、ヘッドユニット３５と、ヘッドユニット３５を駆動制御するヘッドドライバ３３と、液体充填検出手段１０とを備える。なお、液体充填検出手段１０及びヘッドドライバ３３については、詳細を後述する。
【００２５】
この図２において、制御部６は、印刷処理や液体充填検出処理などの各種処理を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）６１と、ホストコンピュータ８からＩＦ９を介して入力される印刷データを図示しないデータ格納領域に格納する不揮発性半導体メモリの一種であるＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）（記憶手段）６２と、印刷処理などのアプリケーションプログラムを一時的に展開するＲＡＭ（Random Access Memory）６３と、各部を制御する制御プログラム等を格納する不揮発性半導体メモリの一種であるＰＲＯＭ６４とを備えている。なお、制御部６の各構成要素は、図示しないバスを介して電気的に接続されている。
【００２６】
上述のように、印字手段３は、各色のインクに対応した複数のヘッドユニット３５から構成され、この各ヘッドユニット３５は、複数のノズル１１０と、これらの各ノズル１１０に対応する静電アクチュエータ１２０と（複数の液滴吐出ヘッド１００）を備える。すなわち、ヘッドユニット３５は、１組のノズル１１０及び静電アクチュエータ１２０を有してなる液滴吐出ヘッド１００を複数個備えた構成になっている。そして、ヘッドドライバ３３は、各液滴吐出ヘッド１００の静電アクチュエータ１２０を駆動して、インクの吐出タイミングを制御する駆動回路１８と、切り替え手段２３とから構成される（図１２参照）。なお、液滴吐出ヘッド１００及び静電アクチュエータ１２０の構成については後述する。
【００２７】
また、制御部６には、図示しないが、例えば、インクカートリッジ３１のインク残量、印字手段３の位置、温度、湿度等の印刷環境等を検出可能な各種センサが、それぞれ電気的に接続されている。
制御部６は、ＩＦ９を介して、ホストコンピュータ８から印刷データを入手すると、その印刷データをＥＥＰＲＯＭ６２に格納する。そして、ＣＰＵ６１は、この印刷データに所定の処理を実行して、この処理データ及び各種センサからの入力データに基づいて、各ドライバ３３，４３，５３に駆動信号を出力する。各ドライバ３３，４３，５３を介してこれらの駆動信号が入力されると、ヘッドユニット３５の複数の液滴吐出ヘッド１００に対応する静電アクチュエータ１２０、印刷装置４のキャリッジモータ４１及び給紙装置５がそれぞれ作動する。これにより、記録用紙５８に印刷処理が実行される。
【００２８】
次に、液滴吐出ヘッド１００へのインクの充填について説明する。図３は、図１に示したインクジェットプリンタ１の印刷装置４を正面から見た概略構造図である。前記した往復動機構４２により、キャリッジ３２上の各ヘッドユニット３５が到達可能な領域において、各ヘッドユニット３５が印刷のため主走査する範囲を外れた領域に、インク吸引部７０とワイピング処理部８０とが設置されている。
インク吸引部７０およびワイピング処理部８０は、インクカートリッジ３１を交換した場合のインク充填時や、液滴吐出ヘッド１００内部の目詰まり処理のためのクリーニング時等に使用される。
インク吸引部７０は、液滴吐出ヘッド１００の吐出側に対向し、ノズル１１０を覆うカバー内部に負圧を与え吸引することにより、液滴吐出ヘッド１００からインクをインク吸引部７０に吸引する。詳細は、後述する。
ワイピング処理部８０は、弾性部材がノズル１１０の表面をワイピングすることにより、ノズル１１０表面に残留しているゴミを除去する。
【００２９】
図４は、インク吸引部７０の構成を示す図である。インク吸引部７０は、キャップ７９と、インク吸収体７７と、移動部７８と、吸引ポンプ７３と、ホイール７２と、廃インクタンク７５と、インク吸収材７４と、チューブ７６とで構成される。
キャップ７９は、液滴吐出ヘッド１００の吐出側に対して開口部を有する形状であり、開口部の周縁は、例えばゴムのような弾性部材で構成されている。キャップ７９の開口部は、チューブ７６が接続され、後述する吸引ポンプ７３により吸引ポンプ７３方向に対して吸引力が与えられる。また、キャップ７９の開口部内には、例えばスポンジのようなインク吸収体７７がノズル１１０から排出されるインクを受ける位置と、チューブ７６に接続された吸引口との間に固定されている。
移動部７８は、前記したキャップ７９と、インク吸収体７７と、キャップに接続されたチューブ７６とを、上下に移動させる。移動部７８を駆動することで、キャップ７９は上方に移動して、移動したキャップ７９の開口部がヘッドユニット３５と接するため、ヘッドユニット３５のノズル１１０は、キャップ７９に覆われる。また、移動部７８の駆動を解除すると、キャップ７９は下方に移動して、ヘッドユニット３５のノズル１１０は、キャップ７９から開放される。
吸引ポンプ７３は、モータによりホイール７２を回転させることにより、ホイール７２の外周に密着固定されたチューブ７６内部の流体を、ホイール７２の回転方向に移動させる定量吐出用のチューブポンプである。ここで、ホイール７２の回転速度は、図示しない充填速度切り替え手段により速度を切り替えることにより、吸引ポンプ７３の吸引力を変更できる。
廃インクタンク７５は、前記したチューブ７６の終端が廃インクタンク７５の内部と接続され、廃インクタンク７５の内部は、例えばスポンジのようなインク吸収材７４が固定されている。
【００３０】
以上の構成において、キャップ７９がヘッドユニット３５のノズル１１０を覆うよう移動部７８を駆動させるとともに、吸引ポンプ７３を駆動させることにより、キャップ７９内部に吸引力が発生する。従って、インクカートリッジ３１内部のインク袋３６のインクは吸引され、ヘッドユニット３５の内部を移動してノズル１１０より排出される。また、前記排出に加えて、後述する静電アクチュエータ１２０の駆動によりインクがノズル１１０より吐出することもある。排出または吐出されたインク滴は、キャップ７９内部のインク吸収体７７に吸収され、インク吸収体７７内部を移動した後、チューブ７６内部を吸引ポンプ７３方向に移動する。チューブ７６内部の吸引力により、吸引ポンプ７３のホイール７２外周中心に達したインクは、引き続いて吸引ポンプ７３より受けるチューブ７６内部での押し出し力により、押し出されるように移動する。チューブ７６の終端に達したインクは、廃インクタンク７５に入り、廃インクタンク７５内部のインク吸収材７４に吸収される。
従って、例えばインクカートリッジ３１交換後のインク充填作業は、上記操作をヘッドユニット３５内部にインクが充填されるまで繰り返して行い、インク充填された後は、吸引ポンプ７３を所定時間停止して、キャップ内圧力と大気圧との差が小さくなるのを待って、移動部７８を下方へ移動し、キャップ７９をヘッドユニット３５から離すことで終了する。
また、前記充填速度切り替え手段により、吸引ポンプ７３の吸引力を変更することで、ヘッドユニット３５内部へのインクの供給速度を調整することができる。
【００３１】
次に、ヘッドユニット３５内の各液滴吐出ヘッド１００の構造を説明する。図５は、図２に示すヘッドユニット３５内にある１つの液滴吐出ヘッド１００の概略的な断面図（インクカートリッジ３１などの共通部分を含む）であり、図６は、１色のインクに対応するヘッドユニット３５の概略的な構成を示す分解斜視図であり、図７は、図５に示す液滴吐出ヘッド１００を複数適用したヘッドユニット３５のノズル面の一例を示す平面図である。なお、図５及び図６は、通常使用される状態とは上下逆に示されており、図７は、図５に示す液滴吐出ヘッド１００を図中上方から見たときの平面図である。
【００３２】
図５に示すように、ヘッドユニット３５は、インク供給路１３１を介して、インクカートリッジ３１に接続されている。
また、ヘッドユニット３５は、シリコン基板１４０を挟んで、上側に同じくシリコン製のノズルプレート１５０と、下側にシリコンと熱膨張率が近いホウ珪酸ガラス基板（ガラス基板）１６０とがそれぞれ積層された３層構造をなしている。中央のシリコン基板１４０には、独立した複数のキャビティ（圧力室）１４１と、１つのリザーバ（共通インク室）１４３と、このリザーバ１４３を各キャビティ１４１に連通させるインク供給口（オリフィス）１４２としてそれぞれ機能する溝が形成されている。各溝は、例えば、シリコン基板１４０の表面からエッチング処理を施すことにより形成することができる。このノズルプレート１５０と、シリコン基板１４０と、ガラス基板１６０とがこの順序で接合され、各キャビティ１４１、リザーバ１４３、各インク供給口１４２が区画形成されている。
【００３３】
これらのキャビティ１４１は、それぞれ短冊状（直方体状）に形成されており、後述する振動板１２１の振動（変位）によりその容積が可変であり、この容積変化によりノズル（インクノズル）１１０からインク（液状材料）を吐出するよう構成されている。ノズルプレート１５０には、各キャビティ１４１の先端側の部分に対応する位置に、ノズル１１０が形成されており、これらが各キャビティ１４１に連通している。また、リザーバ１４３が位置しているガラス基板１６０の部分には、リザーバ１４３に連通するインク供給路１３１が形成されている。インクは、インクカートリッジ３１からインク供給路１３１を通り、リザーバ１４３に供給される。リザーバ１４３に供給されたインクは、各インク供給口１４２を通って、独立した各キャビティ１４１に供給される。なお、各キャビティ１４１は、ノズルプレート１５０と、側壁（隔壁）１４４と、底壁１２１とによって、区画形成されている。
【００３４】
独立した各キャビティ１４１は、その底壁１２１が薄肉に形成されており、底壁１２１は、その面外方向（厚さ方向）、すなわち、図５において上下方向に弾性変形（弾性変位）可能な振動板（ダイヤフラム）として機能するように構成されている。したがって、この底壁１２１の部分を、以後の説明の都合上、振動板１２１と称して説明することもある（すなわち、以下、「底壁」と「振動板」のいずれにも符号１２１を用いる）。
【００３５】
ガラス基板１６０のシリコン基板１４０側の表面には、シリコン基板１４０の各キャビティ１４１に対応した位置に、それぞれ、浅い凹部１６１が形成されている。したがって、各キャビティ１４１の底壁１２１は、凹部１６１が形成されたガラス基板１６０の対向壁１６２の表面に、所定の間隙を介して対向している。すなわち、キャビティ１４１の底壁１２１と後述するセグメント電極１２２の間には、所定の厚さ（例えば、０．２ミクロン程度）の空隙が存在する。なお、前記凹部１６１は、例えば、エッチングなどで形成することができる。
【００３６】
ここで、各キャビティ１４１の底壁（振動板）１２１は、ヘッドドライバ３３から供給される駆動信号によってそれぞれ電荷を蓄えるための各キャビティ１４１側の共通電極１２４の一部を構成している。すなわち、各キャビティ１４１の振動板１２１は、それぞれ、後述する対応する静電アクチュエータ１２０の対向電極（コンデンサの対向電極）の一方を兼ねている。そして、ガラス基板１６０の凹部１６１の表面には、各キャビティ１４１の底壁１２１に対向するように、それぞれ、共通電極１２４に対向する電極であるセグメント電極１２２が形成されている。また、図５に示すように、各キャビティ１４１の底壁１２１の表面は、シリコンの酸化膜（ＳｉＯ２）からなる絶縁層１２３により覆われている。このように、各キャビティ１４１の底壁１２１、すなわち、振動板１２１と、それに対応する各セグメント電極１２２とは、キャビティ１４１の底壁１２１の下側の表面に形成された絶縁層１２３と凹部１６１内の空隙とを介し、対向電極（コンデンサの対向電極）を形成（構成）している。したがって、振動板１２１と、セグメント電極１２２と、これらの間の絶縁層１２３及び空隙とにより、静電アクチュエータ１２０の主要部が構成される。
【００３７】
図５に示すように、これらの対向電極の間に駆動電圧を印加するための駆動回路１８を含むヘッドドライバ３３は、制御部６から入力される印字信号（印字データ）に応じて、これらの対向電極間の充放電を行う。ヘッドドライバ（電圧印加手段）３３の一方の出力端子は、個々のセグメント電極１２２に接続され、他方の出力端子は、シリコン基板１４０に形成された共通電極１２４の入力端子１２４ａに接続されている。なお、シリコン基板１４０には不純物が注入されており、それ自体が導電性をもつために、この共通電極１２４の入力端子１２４ａから底壁１２１の共通電極１２４に電圧を供給することができる。また、例えば、シリコン基板１４０の一方の面に金や銅などの導電性材料の薄膜を形成してもよい。これにより、低い電気抵抗で（効率良く）共通電極１２４に電圧（電荷）を供給することができる。この薄膜は、例えば、蒸着あるいはスパッタリング等によって形成すればよい。ここで、本実施形態では、例えば、シリコン基板１４０とガラス基板１６０とを陽極接合によって結合（接合）させるので、その陽極結合において電極として用いる導電膜をシリコン基板１４０の流路形成面側（図５に示すシリコン基板１４０の上部側）に形成している。そして、この導電膜をそのまま共通電極１２４の入力端子１２４ａとして用いる。なお、本発明では、例えば、共通電極１２４の入力端子１２４ａを省略してもよく、また、シリコン基板１４０とガラス基板１６０との接合方法は、陽極接合に限定されない。
【００３８】
図６に示すように、ヘッドユニット３５は、複数の液滴吐出ヘッド１００に対応する複数のノズル１１０が形成されたノズルプレート１５０と、複数のキャビティ１４１、複数のインク供給口１４２、１つのリザーバ１４３が形成されたシリコン基板（インク室基板）１４０と、絶縁層１２３とを備え、これらがガラス基板１６０を含む基体１７０に収納されている。基体１７０は、例えば、各種樹脂材料、各種金属材料等で構成されており、この基体１７０にシリコン基板１４０が固定、支持されている。
【００３９】
なお、ノズルプレート１５０に形成された複数のノズル１１０は、図６では簡潔に示すためにリザーバ１４３に対して略並行に直線的に配列されているが、ノズル１１０の配列パターンはこの構成に限らず、通常は、例えば、図７に示すノズル配置パターンのように、段をずらして配置される。また、このノズル１１０間のピッチは、印刷解像度（ｄｐｉ）に応じて適宜設定され得るものである。なお、図７では、４色のインク（インクカートリッジ３１）を適用した場合におけるノズル１１０の配置パターンを示している。
【００４０】
各キャビティ１４１の振動板１２１は、ヘッドドライバ３３の駆動信号によるインク吐出動作により、次の駆動信号（駆動電圧）が入力されて再びインク滴を吐出するまでの間、減衰振動をしている。以下、この減衰振動を残留振動とも称する。振動板１２１の残留振動は、ノズル１１０やインク供給口１４２の形状、あるいはインク粘度等による音響抵抗ｒと、流路内のインク重量によるイナータンスｍと、振動板１２１のコンプライアンスＣｍとによって決定される固有振動周波数を有するものと想定される。
【００４１】
上記想定に基づく振動板１２１の残留振動の計算モデルについて説明する。図８は、振動板１２１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。このように、振動板１２１の残留振動の計算モデルは、音圧Ｐと、上述のイナータンスｍ、コンプライアンスＣｍ及び音響抵抗ｒとで表せる。そして、図８の回路に音圧Ｐを与えた時のステップ応答を体積速度ｕについて計算すると、次式が得られる。
【００４２】
【数１】
2005153152.tif 000003
上記した式から得られた計算結果と、別途実験を行ったインク吐出後の振動板１２１上での残留振動の実験結果とを比較する。図９は、振動板１２１の残留振動の実験値と計算値との関係を示すグラフである。この図９に示すグラフからも分かるように、実験値と計算値の２つの波形は、概ね一致している。
【００４３】
さて、ヘッドユニット３５の各液滴吐出ヘッド１００に対して、インクを充填する際に、キャビティ１４１への充填が完了していない場合、即ち、キャビティ１４１内部に気泡が混入している場合、前述したような吐出動作を行ったにもかかわらずノズル１１０からインク滴が正常に吐出されない現象が起きる。そして、キャビティ１４１への充填が完了した場合は、前述したような吐出動作を行った場合、ノズル１１０からインク滴が正常に吐出されるようになる。
【００４４】
以下において、図９に示す比較結果に基づいて、液滴吐出ヘッド１００のキャビティ内に気泡が存在する場合のノズル１１０に発生する吐出異常現象について、振動板１２１の残留振動の計算値と実験値がマッチ（概ね一致）するように、音響抵抗ｒ及び／又はイナータンスｍの値を調整する。
【００４５】
図１０は、図５のキャビティ１４１内へのインク充填が完了していないため、キャビティ１４１内に気泡Ｂが混入している場合のノズル１１０付近の概念図である。この図１０に示すように、発生した気泡Ｂは、キャビティ１４１の壁面に発生付着しているものと想定される（図１０では、気泡Ｂの付着位置の一例として、気泡Ｂがノズル１１０付近に付着している場合を示す）。
【００４６】
このように、キャビティ１４１内に気泡Ｂが混入している場合には、キャビティ１４１内を満たすインクの総重量が減り、イナータンスｍが低下するものと考えられる。また、気泡Ｂは、キャビティ１４１の壁面に付着しているので、その径の大きさだけノズル１１０の径が大きくなったような状態となり、音響抵抗ｒが低下するものと考えられる。
【００４７】
したがって、インクが正常に吐出された図９の場合に対して、音響抵抗ｒ、イナータンスｍを共に小さく設定して、気泡混入時の残留振動の実験値とマッチングすることにより、図１１のような結果（グラフ）が得られた。図９及び図１１のグラフから分かるように、キャビティ１４１内に気泡が混入している場合には、正常吐出時に比べて周波数が高くなる特徴的な残留振動波形が得られる。なお、音響抵抗ｒの低下などにより、残留振動の振幅の減衰率も小さくなり、残留振動は、その振幅をゆっくりと下げていることも確認することができる。
以上のことから、液滴吐出ヘッド１００へのインクの充填の完了は、残留振動波形の周波数変化を検出することで判定することができる。
【００４８】
次に、本発明の液体充填検出手段１０について説明する。図１２は、図２に示す液体充填検出手段１０の概略的なブロック図である。この図１２に示すように、本発明の液体充填検出手段１０は、発振部１１と、Ｆ／Ｖ変換部１２と、波形整形部１５とから構成される残留振動検出手段１６と、この残留振動検出手段１６によって検出された残留振動波形データから周期や振幅などを計測する計測部１７と、この計測部１７によって計測された周期などに基づいて液滴吐出ヘッド１００へのインク充填の完了を判定する判定部２０とから構成される液体充填判定手段１９とを備えている。
残留振動検出手段１６では、静電アクチュエータ１２０の振動板１２１の残留振動に基づいて、発振部１１が発振し、その発振周波数からＦ／Ｖ変換部１２及び波形整形部１５において、振動波形を形成して検出する。
液体充填判定手段１９では、計測部１７は検出された振動波形に基づいて残留振動の周期などを計測し、判定部２０は計測された残留振動の周波数などの振動パターンに基づいて、ヘッドユニット３５内の液滴吐出ヘッド１００へのインク充填状況を検出して、インク充填終了を判定する。
【００４９】
次に、本発明の液体充填検出装置の動作を、上述のインクジェットプリンタ１の構成に基づいて説明する。まず、１つの液滴吐出ヘッド１００のノズル１１０に対する液体充填検出処理（駆動／検出切り替え処理を含む）について説明する。図１３は、本発明の液体充填検出・判定処理を示すフローチャートである。印字手段３が有するインクカートリッジ３１が交換された情報が制御部６に伝わると、所定のタイミングでこの液体充填検出・判定処理が実行される。なお、説明の都合上、この図１３に示すフローチャートでは、１つの液滴吐出ヘッド１００、すなわち、１つのノズル１１０の吐出動作に対応する液体充填検出・判定処理を示す。
【００５０】
最初に液体供給工程が実行される。すなわち、ヘッドユニット３５の液滴吐出ヘッド１００がインク吸引部７０と対向する位置に移動後、インク吸引部７０の移動部７８が稼動して、キャップ７９が液滴吐出ヘッド１００のノズル１１０を覆うとともに、制御部６からの制御信号により、吸引ポンプ７３が吸引稼動して、液滴吐出ヘッド１００へのインクの充填が開始される（ステップＳ１０１）。
【００５１】
次いで、加振工程が実行される。すなわち、制御部６からの切り替え信号により、切り替え手段２３は、静電アクチュエータ１２０と駆動回路１８とを接続する（ステップＳ１０２）。そして、駆動回路１８からの駆動信号が静電アクチュエータ１２０に印加されることで静電アクチュエータ１２０が駆動して、振動板１２１に振動を与えるとともに、振動板１２１の振動により、インクが充填されていればノズル１１０からインク滴が吐出され、インクが充填されていなければノズル１１０からインク滴は吐出されない（ステップＳ１０３）。
【００５２】
次に、振動検出工程が実行される。すなわち、制御部６からの切り替え信号により、切り替え手段２３は、静電アクチュエータ１２０と残留振動検出手段１６の発振部１１と接続する（ステップＳ１０４）。
【００５３】
そして、残留振動検出手段１６において、静電アクチュエータ１２０と接続された発振部１１は、図示しないＣＲ発振部を構成し、静電アクチュエータ１２０の静電容量の変化、即ち静電アクチュエータ１２０の振動板１２１の残留振動、に基づいて発振する。そして、発振部１１の出力信号（パルス信号）に基づいて、Ｆ／Ｖ変換部１２において、充電信号、ホールド信号及びクリア信号が生成され、これらの信号に基づいてＦ／Ｖ変換部１２によって発振部１１の出力信号の周波数から電圧に変換するＦ／Ｖ変換処理が行われ、Ｆ／Ｖ変換部１２から振動板１２１の残留振動波形データが出力される。Ｆ／Ｖ変換部１２から出力された残留振動波形データは、波形整形部１５により、直流成分が除去され、交流成分の残留振動波形が増幅される。増幅後の残留振動波形データは、所定の処理により波形整形され、パルス化された後、所定の電圧値と比較されて、比較結果に基づき２値化された波形（矩形波）が出力信号として液体充填判定手段１９の計測部１７に出力される（ステップＳ１０５）。
【００５４】
次に、充填判定工程が実行される。すなわち、計測部１７は、残留振動検出手段１６で検出された残留振動波形データから残留振動の周期を計測して、計測結果を判定部２０に出力する（ステップＳ１０６）。
【００５５】
そして、判定部２０は、計測部１７から出力された残留振動の周期と、制御部６のＥＥＰＲＯＭ６２に保存されている残留振動の周期の所定のしきい値から、液体充填が終了したか否かを判定する（ステップＳ１０７）。判定の詳細は後述する。
【００５６】
ここで、液体充填が終了していないと判定された場合（ステップＳ１０８で「ＮＯ」）、ステップＳ１０２に戻り，再度、加振工程、振動検出工程および充填判定工程が実行される。また、液体充填が終了されたと判定された場合（ステップＳ１０８で「ＹＥＳ」）、制御部６からの制御信号により、吸引ポンプ７３の吸引が終了するとともに、インク吸引部７０の移動部７８が元の位置に復帰することで、液滴吐出ヘッド１００のノズル１１０を覆っていたキャップ７９が液滴吐出ヘッド１００から離れる（ステップＳ１０９）。
最後に、制御部６からの切り替え信号により、切り替え手段２３は、静電アクチュエータ１２０と駆動回路１８とを接続するとともに、ヘッドユニット３５が印刷可能な位置に戻り、液体充填検出・判定処理が終了する（ステップＳ１１０）。
【００５７】
図１４は、液体充填を開始してからの時間の経過と、液体充填判定手段１９の判定部２０に入力する残留振動波形の周波数との関係を表示したグラフである。液体充填が開始された直後は、キャビティ１４１内部の大部分は空気であるため、残留振動波形の周波数はｆ０近傍で推移するが、液体の充填が進むに従い周波数は急激に低下を始めｆ１近傍に達する。ｆ１は、液体充填の終了が判定できる残留振動の周波数のしきい値であり、前記した制御部６のＥＥＰＲＯＭ６２に保存されている。当該ｆ１は前記ｆ０の半分程度の周波数であり、前記固有振動周波数より高い値に設定されている。
残留振動の周波数は液体充填開始後ｔ１で前記ｆ１に達し、前記ｔ１以降は前記ｆ１より低い前記固有振動周波数近傍で推移する。従って、液体充填開始後ｔ１より前に行われる液体充填判定処理（ステップＳ１０７）では、液体充填が終了していないと判定されるが、液体充填開始後ｔ１以降に行われる液体充填判定処理（ステップＳ１０７）では、液体充填が終了されたと判定され、液体充填検出・判定処理が終了する。ここで、ｔ２は、本発明の液体充填検出・判定処理を用いない場合において、排出を行うタイマーの設定の時間であり、本実施例においては、（ｔ２−ｔ１）の時間に行われる不要な排出で消費されるインクの消費量が抑えられる。
【００５８】
次に、図１５は、液滴吐出ヘッド１００を複数適用したヘッドユニット３５への同一色のインク充填を示す概略図である。ヘッドユニット３５にはノズルナンバー（以下、Ｎｏ．と略す）１からＮで表示されたＮ個の液滴吐出ヘッド１００が構成される。それぞれの液滴吐出ヘッド１００は、インク供給路１３１により連通され、図中の上部からインクが供給される。インク吸引部７０のキャップ７９は、移動部７８（図４）により上方に移動され、開口した周縁部分がヘッドユニット３５と密着することで、ヘッドユニット３５のノズルの吐出側は、キャップ７９により覆われる。キャップ７９の内壁は、チューブ７６（図４）により吸引ポンプ７３と接続され、ノズルより吐出または排出されたインクは、インク吸収体７７を経てチューブ７６を通過して吸引ポンプ７３側に移動する。
【００５９】
図１６は、液滴吐出ヘッド１００を複数適用した前記ヘッドユニット３５へのインク充填のフローチャートであり、図３、図４、図１２、図１３、図１５および図１６を参照して説明する。
先ず、制御部６から駆動信号により、キャリッジ３２に搭載されたヘッドユニット３５は、インクカートリッジ３１を交換できる所定の位置に移動する。ここで、インクが充填されたインクカートリッジ３１は、液滴吐出ヘッド１００近傍の所定位置に装填される（ステップＳ２００）。なお、フローチャートへの記載は略したが、インクカートリッジの装填位置とキャップ装着位置とが異なる前記インクジェットプリンタの一部の機種においては、インクカートリッジが装填された後、ヘッドユニット３５はキャップ装着位置に移動する。
次に、キャップ７９を、移動部７８により上方に移動させることで、ヘッドユニット３５はキャップ７９の開口部と密着する（ステップＳ２０１）。
【００６０】
次に、図示しないノズル選択手段により、ヘッドユニット３５の液滴吐出ヘッド１００の中から、インク供給路１３１の長さが略最短となるノズルＮｏ．Ｍのノズルを有する液滴吐出ヘッド１００を選択して、ヘッドドライバ３３の切り替え手段２３と接続する（ステップＳ２０２）。
【００６１】
次に、吸引ポンプ７３を稼動して、インク吸引を開始する（ステップＳ２０３）。
次に、前記した液体充填検出・判定処理により、インク充填終了判定を行う（ステップＳ２０４）。
【００６２】
ここで、液体充填が終了していないと判定された場合（ステップＳ２０５で「ＮＯ」）、ステップＳ２０３に戻り，再度ステップＳ２０４までの工程を繰り返す。また、液体充填が終了されたと判定された場合（ステップＳ２０５で「ＹＥＳ」）、吸引ポンプ７３の吸引速度を予め定めた低速度に切り替えて、吸引力を低下させる（ステップＳ２０６）。
【００６３】
次に、図示しないノズル選択手段により、ヘッドユニット３５の液滴吐出ヘッド１００の中から、インク供給路１３１の長さが略最長となるノズルＮｏ．１または、Ｎｏ．Ｎのノズルを有する液滴吐出ヘッド１００を選択して、ヘッドドライバ３３の切り替え手段２３と接続する（ステップＳ２０７）。
【００６４】
次に、前記した吸引速度を維持して、インク吸引を開始する（ステップＳ２０８）。
そして、前記した液体充填検出・判定処理により、インク充填終了判定を行う（ステップＳ２０９）。
【００６５】
ここで、液体充填が終了していないと判定された場合（ステップＳ２１０で「ＮＯ」）、ステップＳ２０８に戻り，再度ステップＳ２０９までの工程を繰り返す。また、液体充填が終了されたと判定された場合（ステップＳ２１０で「ＹＥＳ」）、吸引ポンプ７３を所定時間停止して、液体の充填を終了する。
【００６６】
次に、移動部７８を下方に移動して、ヘッドユニット３５に密着していたキャップ７９を開放する（ステップＳ２１１）。
そして、ワイピング処理部８０でノズル面に付着したインク溜り等を除去するワイピングを行い（ステップＳ２１２）、ワイピング時に他色インクが混入する場合があるため、フラッシングを行う（ステップＳ２１３）。
最後に、ヘッドユニット３５が、印刷可能な位置に移動して、ヘッドユニット３５へのインク充填工程が終了する。
【００６７】
以上述べたような実施例によれば、次のような効果がある。
（１）液滴吐出ヘッド１００へのインクの充填の完了を、液滴吐出ヘッド１００の有するキャビティ１４１内の振動板１２１に振動を与えることで生じる残留振動の周波数変動により知ることができるため、充填の完了判定後は速やかに充填作業を終了できる。従って、充填完了後に消費されるインクの無駄な消費量を抑えることができる。
（２）液滴吐出ヘッド１００へのインクの充填状況を、液滴吐出ヘッド１００の有するキャビティ１４１内の振動板１２１に振動を与えることで生じる残留振動の周波数変動により検出している。従って、インクの充填が完了していない場合に加えて、何らかの原因により充填中にキャビティ内に気泡が混入した場合でも、本実施例に充填が未完了と判定され、完全に充填されるまで充填作業が継続されるため、インクの充填を確実に実施できる。
（３）複数の液滴吐出ヘッド１００を有するヘッドユニット３５に対してインクを充填する際、先ずインクの供給路が短い液滴吐出ヘッド１００にインクを充填する。そして、充填が完了した後、インクの吸引速度を低下させて、インクの供給路が長い液滴吐出ヘッド１００にインクを充填する。従って、インクの供給路の長さによって異なるインクの流路抵抗に合わせ、インクの吸引速度を設定するため、インクの吸引力が大きすぎるために発生するノズル１１０からの気泡の吸引を防ぐことが出来る。
【００６８】
以上、本発明の液体充填装置、及び、液滴吐出ヘッドへの液体充填検出・判定方法を図示の各実施形態に基づいて説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、液滴吐出ヘッドあるいは液体充填装置を構成する各部は、同様の機能を発揮し得る任意の構成のものと置換することができる。また、本発明の液滴吐出ヘッドあるいは液体充填装置に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。
【００６９】
なお、本発明の液体充填装置で扱う液体としては、特に限定されず、例えば以下のような各種の材料を含む液体（サスペンション、エマルション等の分散液を含む）とすることができる。すなわち、カラーフィルタのフィルタ材料を含むインク、有機ＥＬ（Electro Luminescence）装置におけるＥＬ発光層を形成するための発光材料、電子放出装置における電極上に蛍光体を形成するための蛍光材料、ＰＤＰ（Plasma Display Panel）装置における蛍光体を形成するための蛍光材料、電気泳動表示装置における泳動体を形成する泳動体材料、基板Ｗの表面にバンクを形成するためのバンク材料、各種コーティング材料、電極を形成するための液状電極材料、２枚の基板間に微小なセルギャップを構成するためのスペーサを構成する粒子材料、金属配線を形成するための液状金属材料、マイクロレンズを形成するためのレンズ材料、レジスト材料、光拡散体を形成するための光拡散材料などである。
【００７０】
また、本発明では、液滴を吐出する対象となる液滴受容物は、記録用紙のような紙に限らず、フィルム、織布、不織布等の他のメディアや、ガラス基板、シリコン基板等の各種基板のようなワークであってもよい。
【００７１】
更に、本発明では、液滴吐出ヘッドは、静電アクチュエータの振動による吐出方法に限らず、ピエゾ素子を用いたアクチュエータの振動による吐出方法や、振動板と対向電極を設けた膜沸騰インクジェットによる吐出方法を用いた液滴吐出ヘッドであってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の液体充填装置の一種であるインクジェットプリンタの構成を示す概略図。
【図２】実施例におけるインクジェットプリンタの主要部を概略的に示すブロック図。
【図３】実施例におけるインクジェットプリンタの構造を示す概略図。
【図４】実施例におけるインク吸引部を示す構成図。
【図５】実施例における液滴吐出ヘッドの概略的な断面図。
【図６】実施例における１色のインクに対応するヘッドユニットの構成を示す分解斜視図。
【図７】実施例における４色インクを用いるヘッドユニットのノズルプレートの一例を示す図。
【図８】実施例における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。
【図９】実施例における振動板の残留振動の実験値と計算値との関係を示すグラフ。
【図１０】実施例におけるキャビティ内に気泡が混入した場合のノズル付近の概念図。
【図１１】実施例におけるキャビティ内に気泡混入した状態における残留振動の計算値及び実験値を示すグラフ。
【図１２】実施例における液体充填検出手段の概略的なブロック図。
【図１３】実施例における液体充填検出・判定処理を示すフローチャート。
【図１４】実施例における液体充填開始からの時間と、残留振動波形の周波数との関係を表示したグラフ。
【図１５】実施例における液滴吐出ヘッドを複数有するヘッドユニットへのインク充填を示す概略図。
【図１６】実施例における液滴吐出ヘッドを複数有するヘッドユニットへのインク充填を示すフローチャート。
【符号の説明】
【００７３】
１…インクジェットプリンタ、４…印刷装置、６…制御部、１０…液体充填検出手段、１６…残留振動検出手段、１８…駆動回路、１９…液体充填判定手段、３３…ヘッドドライバ、３５…ヘッドユニット、７０…インク吸引部、７３…吸引ポンプ、１２０…静電アクチュエータ、１２１…振動板。
【図１】
2005153152.tif 000004
【図２】
2005153152.tif 000005
【図３】
2005153152.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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