(57)【要約】【解決課題】簡易な構成で、圧電ヘッドの不良吐出の原因を検出することができるようにする。【解決手段】圧電素子６０、圧電素子６０に直列に接続された圧電素子選択スイッチＳＷ、圧電素子６０の制動容量に相当する静電容量を有するコンデンサ３０Ａ、及び圧電素子選択スイッチＳＷのオン抵抗に相当し、かつ、コンデンサ３０Ａに直列に接続された抵抗３０Ｂを含むブリッジ回路３２と、ブリッジ回路３２における圧電素子６０と圧電素子選択スイッチＳＷとの間、及びコンデンサ３０Ａと抵抗３０Ｂとの間に発生する差動電圧を増幅する差動増幅回路３４とを備え、ブリッジ回路３２の圧電素子選択スイッチＳＷ及び抵抗３０Ｂに印加した電圧と、圧電素子選択スイッチＳＷ及び抵抗３０Ｂに電圧を印加したときの差動増幅回路３４の出力電圧とに基づいて、圧電ヘッド１２の不良吐出の原因を判定する。【選択図】図３
2007326237.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体が充填される圧力室、前記圧力室に前記液体を供給するための液体供給路、前記圧力室から液滴を噴射させるノズル、及び前記圧力室に圧力を加える圧電素子を有する圧電ヘッドの検査装置であって、
所定の検知信号に基づいて前記圧電素子を駆動させたときに、前記圧電ヘッドの音響振動系の挙動に対応した信号を出力する検知手段と、
前記検知信号及び前記検知手段によって出力された信号に基づいて、前記圧電ヘッドの不良吐出の原因を判定する判定手段と、
を含む圧電ヘッドの検査装置。
【請求項２】
前記検知手段は、前記圧電素子、前記圧電素子に直列に接続されたスイッチ素子、前記圧電素子の制動容量に相当する静電容量を有するコンデンサ、及び前記スイッチ素子のオン抵抗に相当し、かつ、前記コンデンサに直列に接続された抵抗を含むブリッジ回路と、
前記ブリッジ回路における前記圧電素子と前記スイッチ素子との間、及び前記コンデンサと前記抵抗との間に発生する差動電圧を増幅する差動増幅回路とを備え、
前記所定の検知信号に基づいて、前記ブリッジ回路の前記スイッチ素子及び前記抵抗に電圧を印加して、前記圧電素子を駆動させたときに、前記差動増幅回路の出力電圧を、前記音響振動系の挙動に対応した信号として出力する請求項１記載の圧電ヘッドの検査装置。
【請求項３】
前記検知手段は、前記圧電素子、前記圧電素子に直列に接続されたスイッチ素子、前記圧電素子と前記スイッチとに直列に接続された第一抵抗、前記圧電素子の制動容量に相当する静電容量を有するコンデンサ、前記スイッチ素子のオン抵抗に相当し、かつ、前記コンデンサに直列に接続された第二抵抗、及び前記コンデンサと前記第二抵抗とに直列に接続された第一抵抗と同じ値を有する第三抵抗を含むブリッジ回路と、
前記ブリッジ回路における前記圧電素子と前記第一抵抗との間、及び前記コンデンサと前記第三抵抗との間に発生する差動電圧を増幅する差動増幅回路とを備え、
前記所定の検知信号に基づいて、前記ブリッジ回路の前記スイッチ素子及び前記第二抵抗に電圧を印加して、前記圧電素子を駆動させたときに、前記差動増幅回路の出力電圧を、前記音響振動系の挙動に対応した信号として出力する請求項１記載の圧電ヘッドの検査装置。
【請求項４】
前記判定手段は、前記音響振動系の挙動に対応した信号に基づいて、前記圧電素子の体積変化の速度を算出し、前記圧電ヘッドの音響振動系を表す状態方程式に基づいて、前記検知信号と前記算出された体積変化の速度とから、前記ノズルから噴射された液滴の流速又は流量の時系列データを算出し、前記算出された時系列データの周波数特性に基づいて、前記圧電ヘッドの不良吐出の原因を判定する請求項１〜請求項３の何れか１項記載の圧電ヘッドの検査装置。
【請求項５】
前記状態方程式は、以下の数式である請求項４記載の圧電ヘッドの検査装置。
【数１】
2007326237.tif 000024
ここで、圧電素子、液体供給路、圧力室、ノズルのそれぞれの体積変化をｘ０、ｘ１、ｘ２、ｘ３とすると、ｘ０＝ｘ１＋ｘ２＋ｘ３の関係にあり、ｘ０とｘ１、ｘ２、及びｘ３のうちの任意の２個の変数とで構成される状態ベクトルをｘとする。また、前記音響振動系における圧電素子、液体供給路、圧力室、及びノズルの慣性行列をＭ、粘性行列をＲ、剛性行列をＫとし、前記ブリッジ回路のスイッチ素子に電圧を印加したときに、前記圧電素子が前記圧力室に加える圧力ベクトルをＰとする。
【請求項６】
前記判定手段は、前記算出された時系列データの周波数特性に現れる複数の共振点と、前記圧電ヘッドから正常吐出されるときの前記時系列データの周波数特性に現れる予め定められた複数の共振点とのずれに基づいて、前記圧力室、前記液体供給路、及び前記ノズルへの気泡混入の有無、前記ノズルへの異物の付着の有無、並びに前記ノズルの製造状態の良否の少なくとも一つを判定する請求項４又は５記載の圧電ヘッドの検査装置。
【請求項７】
液体が充填される圧力室、前記圧力室に前記液体を供給するための液体供給路、前記圧力室から液滴を噴射させるノズル、及び前記圧力室に圧力を加える圧電素子を有する圧電ヘッドと、
請求項１〜請求項６の何れか１項記載の検査装置と、
を含む液滴噴射装置。
【請求項８】
前記判定手段の判定結果に基づいて、前記圧電ヘッドに印加する電圧の駆動波形を補正する補正手段を更に含む請求項７記載の液滴噴射装置。
【請求項９】
前記判定手段の判定結果に基づいて、前記圧電ヘッドの不良吐出による画質欠損を補償するように画像処理を行う補償手段を更に含む請求項７又は８記載の液滴噴射装置。
【請求項１０】
前記圧力室内に混入した気泡の吸引又はノズルに付着した異物を除去するワイピングを実行する不良吐出回復手段と、
前記判定手段の判定結果に基づいて、前記不良吐出回復手段に前記吸引又は前記ワイピングを実行させる制御手段と、
を更に含む請求項７〜請求項９の何れか１項記載の液滴噴射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、圧電ヘッドの検査装置及び液滴噴射装置に係り、特に、圧電ヘッドのノズルの不良吐出の原因を検査する検査装置及び液滴噴射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧電素子（ピエゾアクチュエータなど）を用いた圧電ヘッドでは、圧電素子に電圧を印加することによって、圧力室に圧力を加えて、ノズルからインク滴を吐出させている。
【０００３】
ここで、インク供給路から気泡が入り込んだ場合、ノズルにおいて不吐出が発生する。これを未然に防止するため、吸引によるメンテナンス動作が必要となる。また、ノズル面に紙粉などの異物や増粘したインクが付着すると表面張力が変化し吐出方向不良となるため、ワイピングによるメンテナンス動作が必要となる。
【０００４】
不吐や吐出方向不良などの不良吐出の発生を検出できない場合には、定期的なメンテナンスを行う必要があるため、時間とインクとの浪費を招くという課題がある。また、メンテナンス動作には前述したように吸引やワイピングがあり、吸引は気泡排出には効果があるが、ノズル表面の異物の除去にはあまり効果がないため、不良吐出の原因を検出できない場合には、メンテナンス動作が意味のないものになってしまう恐れがある。
【０００５】
そこで、不吐を検査する方法として、周波数掃引によって圧電素子の共振点の変化から不吐を検出するノズル検査方法が知られている（特許文献１、２）。
【０００６】
また、不吐や吐出方向不良などの不良吐出の原因を検査する装置として、発振回路によって固有周波数で発振させ、周波数の変化から不吐や、噴射異常を検知する液滴吐出装置が知られている（特許文献３、４）。
【特許文献１】特開２０００−３５５１００
【特許文献２】特開２０００−３１８１８３
【特許文献３】特開２００４−２７６２７３
【特許文献４】特開２００４−２８４１９１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１及び特許文献２に記載の技術では、周波数掃引や発振回路による発振を行う必要があるため、圧電ヘッドを検査するための機構を液滴噴射装置に組み込むことが困難であり、複雑な構成となってしまう、という問題がある。
【０００８】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、簡易な構成で、不良吐出の原因を検出することができる圧電ヘッドの検査装置及び液滴噴射装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的を達成するために本発明に係る圧電ヘッドの検査装置は、液体が充填される圧力室、前記圧力室に前記液体を供給するための液体供給路、前記圧力室から液滴を噴射させるノズル、及び前記圧力室に圧力を加える圧電素子を有する圧電ヘッドの検査装置であって、所定の検知信号に基づいて前記圧電素子を駆動させたときに、前記圧電ヘッドの音響振動系の挙動に対応した信号を出力する検知手段と、前記検知信号及び前記検知手段によって出力された信号に基づいて、前記圧電ヘッドの不良吐出の原因を判定する判定手段と、を含んで構成されている。
【００１０】
本発明に係る圧電ヘッドの検査装置によれば、所定の検知信号に基づいて前記圧電素子を駆動させたときに、検知手段によって、圧電ヘッドの音響振動系の挙動に対応した信号を出力し、判定手段によって、検知信号及び検知手段によって出力された信号に基づいて、圧電ヘッドの不良吐出の原因を判定する。
【００１１】
従って、圧電素子を駆動させるための検知信号と、圧電ヘッドの音響振動系の挙動に対応した信号とに基づいて、圧電ヘッドの不良吐出の原因を判定することができるため、不良吐出の原因を検出することができる。
【発明の効果】
【００１２】
以上説明したように、本発明の圧電ヘッドの検査装置及び液滴噴射装置によれば、圧電素子を駆動させるための検知信号と、圧電ヘッドの音響振動系の挙動に対応した信号とに基づいて、圧電ヘッドの不良吐出の原因を判定することができるため、不良吐出の原因を検出することができる、という効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。本実施の形態では、インクジェット記録装置に用いるインクジェット記録ヘッドを検査する場合について説明する。
【００１４】
図１に示すように、第１の実施の形態に係るインクジェット記録装置７０は、記録用紙Ｐにインク滴を吐出するインクジェットヘッドユニット７２を備えており、インクジェットヘッドユニット７２には、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）、黒（Ｋ）の４色のインク滴各々をノズル５８から吐出する複数の圧電型インクジェット記録ヘッドを並列した記録ヘッドアレーが設けられている。
【００１５】
また、インクジェットヘッドユニット７２の下部には、メンテナンスユニット７４が設けられており、メンテナンスユニット７４は、記録ヘッドアレーのノズル面に対向可能に配置され、あるいは対向する位置に移動可能に配置されている。
【００１６】
インクジェット記録装置７０の最下部には、給紙トレイ７６が挿抜可能に設けられており、給紙トレイ７６には、記録用紙Ｐが積載されており、最上位の記録用紙Ｐにはピックアップロール７８が当接している。記録用紙Ｐは、ピックアップロール７８によって１枚ずつ給紙トレイ７６から搬送方向下流側へ給紙され、搬送経路に沿って順に配設された搬送ロール８０、８２によってインクジェットヘッドユニット７２の下方へ給紙される。
【００１７】
また、インクジェットヘッドユニット７２の下方には、無端状の搬送ベルト８４が配設されており、搬送ベルト８４は、駆動ロール８６及び従動ロール８８に張架されている。また、従動ロール８８は接地されている。
【００１８】
また、記録用紙Ｐが搬送ベルト８４に接触する位置の上流側に、直流電源を供給する直流電源装置９０が接続された帯電ロール９２が配置されている。帯電ロール９２は、従動ロール８８との間で搬送ベルト８４を挟みつつ従動し、搬送ベルト８４に接触する接触位置と、搬送ベルト８４から離間した離間位置との間を移動可能とされている。接触位置では、接地された従動ロール８８との間に所定の電位差が生じるため、搬送ベルト８４に対して放電し、電荷を与えるようになっている。
【００１９】
また、帯電ロール９２より上流側には、搬送ベルト８４に帯電された電荷を除電するための除電ロール９４が設けられている。
【００２０】
また、インクジェットヘッドユニット７２の下流側には、記録用紙Ｐの排出経路を構成する複数の排出ロール対９６が設けられ、排出ロール対９６で構成された排出経路の先には、排紙トレイ９８が設けられている。
【００２１】
また、インクジェット記録装置７０には、ＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭから構成される制御部６２が設けられており、制御部６２によって、インクジェットヘッドユニット７２、各種ロールを駆動する複数のモータ（図示省略）を含むインクジェット記録装置７０の全体を制御している。
【００２２】
インクジェットヘッドユニット７２の記録ヘッドアレーは、図２に示すような圧電型インクジェット記録ヘッド１２（以下、圧電ヘッドと称す）を複数備えており、圧電ヘッド１２は、圧力室５６にインクを供給するためのインク供給路５４、インクが充填される圧力室５６、圧力室５６からインク滴を噴射させるノズル５８、及び圧力室に圧力を加える圧電素子（ピエゾアクチュエータ）６０を有し、圧電素子６０で圧力室５６内を加圧して、ノズル５８からインク滴を吐出するようになっている。
【００２３】
また、インクジェットヘッドユニット７２は、インクが充填されたインクタンク（図示省略）を備えており、インクタンクに充填されたインクは、インク供給路５４を介して圧力室５６に充填され、圧力室５６に連通したノズル５８にインクが供給される。
【００２４】
圧力室５６の壁面の一部は振動板５６Ａからなり、振動板５６Ａに圧電素子６０が設けられており、圧電素子６０によって振動板５６Ａを変形させて振動させることで、圧力室５６内に圧力を加える。すなわち、圧電素子６０の振動によって加えられる圧力によって、圧力室５６内に充填されたインクがインク滴としてノズル５８から吐出され、圧力室５６にはインク供給路５４を介してインクタンクからインクが補充されるようになっている。
【００２５】
圧電ヘッド１２には、例えば１０２４個のノズル５８があり、例えば、記録用紙幅方向にノズル５８が複数配列されており、記録用紙幅方向の画像を記録し、記録用紙と記録ヘッドとを相対的に移動することで記録用紙に画像を記録することができる。また、ノズル５８毎に圧力室５６、振動板５６Ａ、圧電素子６０、及び電極（図示省略）が設けられている。インクジェットヘッドユニット７２には、図３又は図１５に示すように、印刷に必要な駆動信号及び不良吐出原因検出のためのテスト信号を発生する駆動波形発生回路２０と、駆動信号又はテスト信号を、圧電素子６０を駆動可能な電圧に増幅する電圧増幅回路２２と、後述するブリッジ回路３２と、差動増幅回路３４とで構成された検知手段を備えている。ここで、テスト信号としては、例えば非印刷時（例えば用紙間のタイミング）の液面振動波形を用いる。検知手段の第１の構成では、図３に示すように、インクジェットヘッドユニット７２は、印刷時に印刷画像情報に基づいて、インク滴を噴射させる圧電ヘッド１２の圧電素子６０を選択する圧電素子選択手段２４と、不良吐出の原因の検知を行う圧電素子６０を選択する不吐検出選択手段２６とを備えており、圧電素子選択手段２４は、不良吐出の原因の検出時には、圧電素子選択スイッチＳＷ１〜ＳＷｎを全てオンするようになっており、また、不吐検出選択手段２６は、オンオフする検出選択スイッチを逐次択一するようになっている（２つの圧電素子６０を同時に選択できないようになっている）。
【００２６】
インクジェットヘッドユニット７２は、圧電ヘッド１２の圧電素子６０及び圧電素子選択スイッチＳＷを直列接続した複数の第１の直列回路２８と、圧電素子６０の制動容量に相当する静電容量Ｃｄを有するコンデンサ３０Ａ及び圧電素子選択スイッチＳＷのオン抵抗Ｒｄに相当する抵抗３０Ｂを直列接続した第２の直列回路３０とを並列接続したブリッジ回路３２を備え、また、ブリッジ回路３２の第１の直列回路２８における圧電素子６０と圧電素子選択スイッチＳＷとの間、及びコンデンサ３０Ａと抵抗３０Ｂとの間に発生する差動電圧を増幅する差動増幅回路３４を備えている。
【００２７】
なお、検知手段の第２の構成では図１５に示すように、インクジェットヘッドユニット７２は、印刷時に印刷画像情報に基づいて、インク滴を噴射させる圧電ヘッド１２の圧電素子６０を選択する圧電素子選択手段２４を備えている。圧電素子選択手段２４は、不良吐出の原因の検出時には、圧電素子選択スイッチＳＷ１〜ＳＷｎを逐次択一するようになっている（２つの圧電素子６０を同時に選択できないようになっている）。
【００２８】
インクジェットヘッドユニット７２は、圧電ヘッド１２の圧電素子６０及び圧電素子選択スイッチＳＷを直列接続した複数の第１の直列回路２８と、第１の直列回路２８に直列に接続された第１の電流検出抵抗３０Ｃ、圧電素子６０の制動容量に相当する静電容量Ｃｄを有するコンデンサ３０Ａ及び圧電素子選択スイッチＳＷのオン抵抗Ｒｄに相当する抵抗３０Ｂを直列接続した第２の直列回路３０、第２の直列回路に直列に接続された第２の電流検出抵抗３０Ｄとを並列接続したブリッジ回路３２を備え、ブリッジ回路３２の第１の電流検出抵抗３０Ｃと第２の第２の電流検出抵抗３０Ｄとの間に発生する差動電圧を増幅する差動増幅回路３４を備えている。
【００２９】
ここで前記のいずれの構成の検知手段に対しても、インクジェットヘッドユニット７２は、ノイズ除去とエイリアス（折り返し雑音）除去のための低域通過フィルタであるフィルタ３６と、ブリッジ回路３２の圧電素子選択スイッチＳＷ及び抵抗３０Ｂに印加する電圧信号及び差動増幅回路３４の出力信号をフィルタ３６に通した信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄコンバータ３８とを備えている。
【００３０】
また、インクジェットヘッドユニット７２は、各種の信号処理を行うＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｓｉｇｎａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）４０を備えており、ＤＳＰ４０は、ブリッジ回路３２の圧電素子選択スイッチＳＷ及び抵抗３０Ｂに印加する電圧を示すテスト信号と差動増幅回路３４の出力信号とを一定時間間隔（サンプリング周期）で取り込むようになっている。なお、サンプリング周波数は、取り込むテスト信号及び出力信号の最高周波数の２倍以上が必要であるため、例えば４ＭＨｚとなっている。
【００３１】
また、制御部６２のＣＰＵ４２は、不吐検出選択手段２６、圧電素子選択手段２４、及び駆動波形発生回路２０を制御すると共に、ＤＳＰ４０の処理結果に基づいて、装置全体の制御を行うようになっている。
【００３２】
また、メンテナンスユニット７４は、図４に示すように、ワイパー４４や、キャップ４６、ダミージェット受け部材（図示省略）を備えている。ワイピングによるメンテナンス動作では記録ヘッドアレー７３が上昇し、ワイパー４４がノズル面に接触する位置となる。この状態でワイパー４４がノズル面と平行に往復移動することで、ノズル面に残存するインクや紙粉などの異物を払拭するようになっている。これにより、ノズル５８の開口部の表面張力を正常に保つことが可能となる。
【００３３】
ここで、異物とは、増粘や乾燥固化したインク、紙粉、これらの混合物、その他付着物をいう。
【００３４】
また、吸引によるメンテナンス動作では、記録ヘッドアレー７３が下降し、圧電ヘッド１２がキャップ４６に格納される。キャップ４６には吸引ポンプ４８が取り付けられており、これにより、ノズル５８開口部から圧電ヘッド１２の圧力室５６内に入ってしまった気泡を吸い取るようになっている。
【００３５】
次に、圧電ヘッド１２の音響振動系モデルについて説明する。まず、図５に示すように、圧電素子６０に電圧を印加すると圧力Ｐが発生し、これにより圧電素子６０、インク供給路５４、圧力室５６、及びノズル５８に体積変化が発生する。このとき、圧電素子６０、インク供給路５４、圧力室５６、及びノズル５８のそれぞれの体積変位を変数ｘ０、ｘ１、ｘ２、ｘ３とし、また、電圧が小さくノズル５８からインクが噴射しない場合を想定して、ｘ０＝ｘ１＋ｘ２＋ｘ３とする。なお、ｘ０、ｘ１、及びｘ２は独立変数とする。
【００３６】
ここで、ｘ０とｘ１、ｘ２、及びｘ３のうちの任意の２個の変数とで構成される状態ベクトルをｘとし、また、音響振動系における圧電素子６０、インク供給路５４、圧力室５６、及びノズル５８の慣性行列をＭ、粘性行列をＲ、剛性行列をＫとし、ブリッジ回路３２の圧電素子選択スイッチＳＷに電圧を印加したときに、圧電素子６０が圧力室５６に加える圧力ベクトルをＰとすると、音響振動系の状態方程式は、以下の式となる。
【００３７】
【数１】
2007326237.tif 000003
【００３８】
また、図６に示すように、圧電素子６０、インク供給路５４、圧力室５６、及びノズル５８の音響質量（慣性要素）をｍｉ、音響抵抗（粘性要素）をｒｉ、音響スティフネス（剛性要素）をｋｉ（ｉ＝０，１，２，３）とする。ここで、ノズル５８の音響スティフネスｋ３は、ノズル５８面の液体に作用する表面張力に影響する要素となっている。
【００３９】
この音響振動系への外力は、圧電素子６０から圧力室５６へ加えられる圧力Ｐであるため、音響振動系は以下の状態方程式で記述することが出来る。
【００４０】
【数２】
2007326237.tif 000004
【００４１】
次に、本実施の形態に係る圧電ヘッド１２の不良吐出について説明する。不良吐出として、不吐と吐出方向不良とがある場合について説明する。
【００４２】
不吐の発生原因は、圧力室５６、インク供給路５４、及びノズル５８の何れかへの気泡混入である。吐出方向不良の発生原因は、ノズル５８面への紙粉などの異物の付着やインクの増粘、乾燥、紙粉との混合による固化などによる表面張力の経時変化、あるいは、ノズル形状の不良、撥水処理の不良などによって製造時点での表面張力の異常である。
【００４３】
図７に示すように、圧力室５６に気泡が混入すると、気泡が空気ばねとして作用し、圧電素子６０は、この空気ばねとしての気泡を介して圧力室５６に圧力を印加することになる。これは、図６の音響振動系モデルでは、圧力室５６のスティフネス（剛性）ｋ１の低下と考えることができる。これに対し、供給路、ノズルに気泡が混入すると気泡の体積に相当するインクの体積が減るため音響質量が減少する。また、図８（Ｂ）に示すように、ノズル５８の界面（メニスカス）では、表面張力による引張力Ｆ１とインク供給路５４からのインク滴の圧力Ｆ２とが釣り合っているが、引張力Ｆ１はノズル５８の周長に比例するため、図８（Ａ）に示すように、ノズル５８面に異物が付着し、ノズル５８の周長が小さくなると、引張力Ｆ１が低下する。
【００４４】
また、インク滴を吐出するとノズル５８内のインクが減るため、インクが供給される。このときノズル５８の音響質量による慣性力と引張力Ｆ１による弾性によってメニスカスが振動するが、振動周期は、弾性が小さいと長くなる。また、ノズルの形状や撥水状態の不良も表面張力を変化させる要因となる。
【００４５】
すなわち、ノズル５８面への異物の付着や製造状態によって、メニスカスが安定するまでに時間がかかり、安定しないうちに再噴射を行ってしまい、その結果、噴射適量の不安定化や、サテライトの発生、吐出方向不良が発生する。
【００４６】
ここで、圧電素子６０の体積変化の速度（単位時間あたりの体積変化）の周波数特性は、図９に示すように、圧電素子の共振点（図９のピーク１参照）と、インク供給路５４、圧力室５６、及びノズル５８による流路系の共振点（固有周波数、図９のピーク２参照）とを表している。また、気泡混入、異物付着、及び製造不良が発生したときの圧電素子６０の体積変化の速度の周波数特性では、図９（Ａ）が示すように、気泡混入で固有周波数（ピーク２）が変化するが、図９（Ｂ）が示すように、異物付着及び製造不良では正常時とほとんど変化がない。従って、圧電素子６０の体積変化の速度の周波数特性では、異物付着及び製造不良、すなわち吐出方向不良は検出できない。
【００４７】
次に、図１０を用いて、上記の数式（２）によって算出されるノズル５８から噴射されたインク滴の流速の周波数特性を表したものについて説明する。ここで、図１０に示す変曲点（図１０のピーク３参照）は、ノズル５８へのインク供給時の振動の共振点（リフィル周波数と呼ぶ）である。気泡混入および異物付着が発生したときのノズル５８から噴射されたインク滴の流速の周波数特性では、図１０（Ａ）に示すように、気泡混入により固有周波数（ピーク２）が変化し、図１０（Ｂ）に示すように、異物付着によりリフィル周波数（ピーク３）が変化するため、気泡混入及び異物付着の双方を検出することができる。
【００４８】
なお、インクジェット記録装置７０は、一般的なインクジェット記録装置の構成及び機能を備えていればよく、インクジェット記録装置７０の一般的な構成及び機能については説明を省略する。
【００４９】
次に、第１の実施の形態に係るインクジェット記録装置７０の作用について説明する。なお、圧電ヘッド１２の不良吐出の原因を検出する場合について説明する。
【００５０】
まず、検知手段の第１の構成では図３に示すように、圧電素子選択手段２４によって、圧電素子選択スイッチＳＷ１〜ＳＷｎの全てをオンにし、不吐検出選択手段２６によって、何れかの圧電ヘッド１２に対応する検出選択スイッチにオンにさせる。
【００５１】
そして、駆動波形発生回路２０によってテスト信号を発生し、電圧増幅回路２２によって電圧を増幅して、ブリッジ回路３２に電圧を印加し、抵抗Ｒｄを介して、コンデンサＣｄに電圧を印加すると共に、圧電素子選択スイッチＳＷを介して、圧電ヘッド１２の圧電素子６０に電圧を印加する。
【００５２】
また、検知手段の第２の構成では図１５に示すように、圧電素子選択手段２４によって、圧電素子選択スイッチＳＷ１〜ＳＷｎのいずれか１つをオンにする。そして、駆動波形発生回路２０によってテスト信号を発生し、電圧増幅回路２２によって電圧を増幅して、ブリッジ回路３２に電圧を印加し、抵抗Ｒｄを介して、コンデンサＣｄに電圧を印加すると共に、圧電素子選択スイッチＳＷを介して、圧電ヘッド１２の圧電素子６０に電圧を印加する。
【００５３】
そして、前記のいずれの構成の検知手段に対してもＤＳＰ４０において不良吐出の原因を判定するための処理を行う。以下、不良吐出の原因を判定する処理について説明する。
【００５４】
不良吐出の原因を判定する処理では、まず、ノズル５８から噴射されたインク滴の流速又は流量を推定する。ここで、圧電素子６０によって圧力室５６に加えられる圧力は、印加した電圧に比例し、圧電素子６０の体積変化の速度は、圧電素子６０に流れる電流に比例するため、圧電素子６０に流れる電流を検出することで、圧電素子６０の体積変化の速度を計測することができる。一方、ノズル５８から噴射されたインク滴の流速又は流量そのものを電気的に検出することはできない。
【００５５】
そこで、本実施の形態では、ある電圧信号を印加したときの圧電素子６０の体積変化の速度から、上記の数式（２）の状態方程式に基づいてノズル５８から噴射されたインク滴の流速又は流量を推定する。この推定方法について説明する。
【００５６】
まず、図１１に示す圧電ヘッド１２の駆動モデルにおいて、圧電素子６０の電気的特性である制動容量によるアドミッタンスをＹｄとし、音響振動系に印加された電圧をＶ、流れる電流をＩ２とすると、電圧Ｖ及び電流Ｉ２の各々は、それぞれ圧電素子６０の発生圧力及び体積変化の速度に比例する。従って、音響振動系のアドミッタンス特性は、図９に示す周波数特性そのものであり、電流Ｉ２が測定できれば、圧電素子６０の体積変化の速度を計測することができる。第１の構成の検知手段では、図１２に示すように、ブリッジ回路３２には、圧電ヘッド１２とは別に、圧電素子選択スイッチのオン抵抗Ｒｄに相当する抵抗３０Ｂと、圧電素子６０の制動容量Ｃｄに相当するコンデンサ３０Ａとが設けられているため、このブリッジ回路３２の差動出力Ｖ２−Ｖ１は、以下の数式（３）で与えられ、音響振動系のアドミッタンスＹａに比例するようになっている。
【００５７】
【数３】
2007326237.tif 000005
【００５８】
ここで、変数ｓは、周波数ｆ、虚数単位ｊ＝√−1に対してｓ＝ｊ２πｆとする。また、上記の数式（３）〜（５）において、Ｆ（ｓ）は、オン抵抗Ｒｄと制動容量Ｃｄとで構成される低域通過フィルタの伝達関数であり、このフィルタの遮断周波数ωｄ／２πは数ＭＨｚである。これに対し流路系の固有周波数及びリフィル周波数は、高々１００ＫＨｚである。従って、これらの周波数帯域は、この前記低域通過フィルタの通過域であり、Ｆ（ｓ）≒１とみなせる。
【００５９】
ここで、音響振動系Ｙａに流れ込む電流Ｉ２を、駆動電圧ＶとアドミッタンスＹａとを用いて、以下の式で表すこと
ができる。
Ｉ２＝Ｙａ×Ｖ
従って、以下の数式（４）でブリッジ回路３２の差動出力Ｖ０を表すことができる。
【００６０】
【数４】
2007326237.tif 000006
【００６１】
ここで、Ｖは既知であり、Ｙａは検出可能であるので、Ｉ２、つまり圧電素子６０の体積変化の速度を計測することができる。
【００６２】
なお、検知手段の第２の構成では、図１６に示すように、ブリッジ回路３２には、圧電ヘッド１２とは別に、圧電素子選択スイッチのオン抵抗Ｒｄに相当する抵抗３０Ｂと、圧電素子６０の制動容量Ｃｄに相当するコンデンサ３０Ａとが設けられており、電流検出抵抗３０Ｃ、３０Ｄには圧電素子およびコンデンサに流れる電流に比例した電圧が発生する。ここで電流検出抵抗３０Ｃ、３０Ｄの抵抗値Ｒｓを圧電素子選択スイッチのオン抵抗Ｒｄに対して十分に小となるように設定すれば、このブリッジ回路３２の差動出力Ｖ２−Ｖ１、差動出力Ｖ０、および低域通過フィルタの伝達特性は、数式（３）〜（６）で与えられる。
【００６３】
また、圧電素子６０に印加した電圧と、計測された圧電素子６０の体積変化の速度とに基づいて、ノズル５８の体積変化の速度を推定することができる。ここで、オブザーバを用いたノズル５８の体積変化の速度の推定方法について説明する。
【００６４】
まず、上記の数式（２）を以下の数式（７）、（９）によって、数式（８）に書き換える。
【００６５】
【数５】
2007326237.tif 000007
【００６６】
上記の数式（８）は、２階の連立微分方程式であるが、これは１階の連立方程式に書き換えると、数式（９）と等価となる。
【００６７】
【数６】
2007326237.tif 000008
【００６８】
また、数式（２）は、以下の数式（１２）を用いて数式（１３）に置き換えられる。
【００６９】
【数７】
2007326237.tif 000009
【００７０】
ここで、Ｃａを以下の数式（１４）とすると、以下の数式（１５）のＹは、圧電素子６０の体積変化の速度である。
【００７１】
【数８】
2007326237.tif 000010
【００７２】
【数９】
2007326237.tif 000011
【００７３】
ここで、変数ベクトルｘを状態変数と呼び、また、上記の数式（１３）を状態方程式と呼ぶ。また、オブザーバは入力Ｕと出力Ｙとから状態変数を推定するアルゴリズムである。
【００７４】
また、推定した状態ベクトルをＸ‘とし、オブザーバゲインをＬとして、数式（１５）を考える。
【００７５】
【数１０】
2007326237.tif 000012
【００７６】
上記の数式（１６）から数式（１３）を引くと、以下の数式（１７）が得られる
【００７７】
【数１１】
2007326237.tif 000013
【００７８】
また、上記の数式（１７）より推定した状態ベクトルＸ‘は、真の状態ベクトルＸに収束する。なお、収束の速さはオブザーバゲインによって決まる。
【００７９】
上記の数式（１６）は、圧力Ｕと圧電素子６０の体積速度Ｙとから状態ベクトルを求める式であり、抵抗３０Ｂ及び圧電素子選択スイッチＳＷに印加した電圧と、上述した圧電ヘッド１２の駆動モデルにおいて検出した電流とから状態ベクトルが推定される。ここで、図６の定義からノズル５８から噴射されたインク滴の流速Ｗは以下の数式（１８）で与えられる。
【００８０】
【数１２】
2007326237.tif 000014
【００８１】
また、ノズル５８から噴射されたインク滴の流量Ｚは以下の数式（１９）で与えられる。
【００８２】
【数１３】
2007326237.tif 000015
【００８３】
ここで、オブザーバゲインの決め方が問題になるが、先行文献（小郷・美田、「システム制御理論入門」、ｐｐ１２１−１３０、１７３−１７８、実教出版、１９７９）より、カルマンフィルタを用いて、オブザーバゲインを決めることができる。
【００８４】
つまり、Ｑ及びＲを重み係数とするＳに関するＲｉｃｃａｔｔｉ行列方程式（以下の数式（２０））の解を用いると、Ｌは以下の数式（２１）で与えられる。
【００８５】
【数１４】
2007326237.tif 000016
【００８６】
【数１５】
2007326237.tif 000017
【００８７】
上述した推定方法によって、ノズル５８から噴射されたインク滴の流速又は流量を推定する。この推定処理は、ＤＳＰ４０において、オブザーバの演算処理とスペクトル分析処理との２種類の信号処理に分けて行われる。また、この推定処理は逐次実行され、ノズル５８から噴射されたインク滴の流速又は流量の時系列データを算出する。なお、オブザーバの演算（上記の数式（１６））の係数Ａａ、Ｂａ、Ｃａ、Ｌを、予め音響振動系の設計値から算出しておき、ＤＳＰ４０に記憶しておくか、ＣＰＵ４２から提供されるものとする。また、オブザーバの演算の入力は、圧電素子６０によって加えられる圧力に比例するデータｕ（ｎ）（ｎ＝０、１、２・・・）と体積速度に比例するデータｙ（ｎ）（ｎ＝０、１、２・・・）とである。出力は状態ベクトルＸであり、各要素は圧電素子６０の体積速度ｘ０、インク供給路５４の体積速度ｘ１、圧力室５６の体積速度ｘ２、圧電素子６０の体積変位ｘ３、インク供給路５４の体積変位ｘ４、圧力室５６の体積変位ｘ５である。また、ノズル５８から噴射されたインク滴の流速、すなわちノズル５８の体積速度ｘ６は以下の式によって求められる。
ｘ６＝ｘ０−ｘ１−ｘ２
また、オブザーバの演算（上記の数式（１６））は微分方程式であるので、サンプリング周期Ｔｓによって離散化して、差分方程式とし、また、先行文献（美田、「デジタル制御理論」、ｐｐ７−２０、昭晃堂、１９８４）に基づく０次ホルダ近似による方法を用いて、以下の数式（２２）〜（２７）によって、ノズル５８から噴射されたインク滴の流速あるいは流量を推定する。
【００８８】
【数１６】
2007326237.tif 000018
【００８９】
【数１７】
2007326237.tif 000019
【００９０】
【数１８】
2007326237.tif 000020
【００９１】
【数１９】
2007326237.tif 000021
【００９２】
【数２０】
2007326237.tif 000022
【００９３】
【数２１】
2007326237.tif 000023
【００９４】
また、スペクトル分析処理では、ＦＦＴ（Ｆａｓｔ  Ｆｏｕｒｉｅｒ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）を用いる。周波数分解能Δｆとデータ数Ｎ、サンプリング時間の関係は以下のようになっている。
Δｆ＝Ｎ／Ｔｓ
また、観測時間Ｔ０は、以下のようになっている。
Ｔ０＝Ｎ×Ｔｓ
そして、推定されたノズル５８から噴射されたインク滴の流速又は流量の時系列データをスペクトル分解して算出した周波数特性より、固有周波数とリフィル周波数とを求め、正常吐出のときの固有周波数及びリフィル周波数からのずれに基づいて、圧電素子６０にテスト信号を印加したときの不吐又は吐出方向不良を判定し、判定結果がＣＰＵ４２に通知される。なお、噴射されたインク滴の流速、流量の何れによっても検出は可能であるため、以下では流速を用いた場合を示す。圧電素子６０に印加した電圧を示すテスト信号は、便宜上、単位ステップ信号としたが、必ずしもその必要はない。また、正常吐出のときの固有周波数及びリフィル周波数は、予め実験的に求めておく。
【００９５】
例えば、ノズル５８から噴射されたインク滴の流速のステップ応答が図１３（Ａ）のようになっており、体積速度の時系列データをスペクトル分解して得られた周波数特性が図１３（Ｂ）のようになっている場合には、固有周波数（ピーク２）が変化し、リフィル周波数（ピーク３）は変化しない（変化が小さい）ことから、圧力室５６に気泡が混入したと判定できる。
【００９６】
また、ノズル５８から噴射されたインク滴の流速のステップ応答が図１４（Ａ）のようになっており、体積速度の時系列データをスペクトル分解して得られた周波数特性が図１４（Ｂ）のようになっている場合には、固有周波数（ピーク２）が変化し、リフィル周波数（ピーク３）が大きくこと変化していることから、ノズル５８面に異物が付着した、あるいはノズル形状や撥水処理などの製造状態の不良と判定できる。
【００９７】
そして、ＤＳＰ４０から通知された判定結果に基づいて、制御部６２のＣＰＵ４２によって、メンテナンス動作や画像処理を行う。軽度の不吐（固有周波数の変化が小さい）と判定された場合には、圧電ヘッド１２の駆動波形を修正又は変更し、不吐の圧電ヘッド１２が少ない場合には、画像処理によって画質欠損を補う。また、不吐の圧電ヘッド１２が多ければ、吸引によるメンテナンスを行い、吐出方向不良の圧電ヘッド１２が多い場合には、ワイピングによるメンテナンス動作を行う。
【００９８】
以上説明したように、第１の実施の形態に係るインクジェット記録装置によれば、ブリッジ回路の圧電素子選択スイッチ及び抵抗に印加した電圧と、圧電素子選択スイッチ及び抵抗に電圧を印加したときの差動増幅回路の出力電圧とに基づいて、状態方程式を用いて、インク滴の流速又は流量を推定し、インク滴の流速又は流量の周波数特性の共振点のずれから、圧電ヘッドの不良吐出の原因を判定することができるため、不良吐出の原因を検出することができる。
【００９９】
また、圧力室に気泡が混入したときや、及びノズルに異物が付着したときに現れる共振点のずれによって、不良吐出の原因を判定することができる。
【０１００】
また、圧電素子の制動容量に相当するコンデンサ、及び圧電素子選択スイッチのオン抵抗に相当する抵抗を含むブリッジ回路と、差動電圧を増幅する差動増幅回路とを設けるだけで済むため、簡易な構成とすることができる。また、ノズルの不良吐出の原因を判定するための機構を、インクジェット記録装置に簡易に組み込むことができる。
【０１０１】
また、検出された不良吐出の原因が、気泡の混入であり、気泡の混入による不吐が軽微の場合には、電圧の駆動波形を補正して、不吐を解消することができる。
【０１０２】
また、不良吐出の原因が気泡の混入であり、気泡が混入した圧電ヘッドが少ない場合には、画像処理によって不吐による画像欠損を補償することができる。
【０１０３】
また、不良吐出の原因が気泡の混入であり、気泡の混入による不吐が発生しているノズルが多い場合には、気泡の吸引によって不吐を解消することができ、また、不良吐出の原因が異物の付着であり、異物の付着による吐出方向不良が発生しているノズルが多い場合には、ワイピングによって異物を除去して、吐出方向不良を解消することができる。
【０１０４】
なお、上記の実施の形態では、ＦＦＴを用いてスペクトル分析処理を行う場合を例に説明したが、ウェーブレット変換を用いてスペクトル分析処理を行うようにしてもよい。
【０１０５】
次に、第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同様の部分については、同一符号を付して説明を省略する。また、第２の実施の形態では、ヘッド製造工程での検査装置に本発明を適用した場合について説明する。
【０１０６】
第２の実施の形態に係る検査装置では、製造された圧電ヘッド１２について、ノズル５８から噴射されたインク滴の流速あるいは流量の時系列データを推定し、インク滴の流速あるいは流量の時系列データをスペクトル分解して、固有周波数とリフィル周波数とを求め、不良吐出がないときの固有周波数及びリフィル周波数からのずれに基づいて、圧電ヘッド１２の良否判定を行う。
【０１０７】
このように、固有周波数及びリフィル周波数から圧電ヘッドの状態がわかるため、ヘッド製造工程での検査装置に本発明を適用することで、圧電ヘッドの良否判定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るインクジェット記録装置の構成を示す正面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る圧電ヘッドの構成を示す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る検知手段の第１の構成を示す概略図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態に係るメンテナンスユニットの構成を示す側面図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態に係る圧電ヘッドの音響振動系モデルを説明するためのイメージ図ある。
【図６】本発明の第１の実施の形態に係る圧電ヘッドの音響振動系モデルを説明するためのイメージ図ある。
【図７】圧力室に気泡が混入した場合を示すイメージ図である。
【図８】（Ａ）ノズル面に異物が付着した場合のノズルの周長を説明するためのイメージ図、及び（Ｂ）ノズルのメニスカスの状態を示すイメージ図である。
【図９】（Ａ）気泡が混入した場合の圧電素子の体積変化の速度の周波数特性を示すグラフ、及び（Ｂ）異物が付着した場合の圧電素子の体積変化の速度の周波数特性を示すグラフである。
【図１０】（Ａ）気泡が混入した場合の噴射されたインク滴の流速の周波数特性を示すグラフ、及び（Ｂ）異物が付着した場合の噴射されたインク滴の流速の周波数特性を示すグラフである。
【図１１】本発明の第１の実施の形態に係る圧電ヘッドの駆動モデルを説明するためのイメージ図である。
【図１２】本発明の第１の実施の形態に係る検知手段の第１の構成におけるブリッジ回路の構成を説明するための回路図である。
【図１３】（Ａ）気泡が混入した場合の噴射されたインク滴の流速のステップ応答を示すグラフ、及び（Ｂ）気泡が混入した場合の噴射されたインク滴の流速の周波数特性を示すグラフである。
【図１４】（Ａ）異物が付着した場合の噴射されたインク滴の流速のステップ応答を示すグラフ、及び（Ｂ）異物が付着した場合の噴射されたインク滴の流速の周波数特性を示すグラフである。
【図１５】本発明の第１の実施の形態に係る検知手段の第２の構成を示す概略図である。
【図１６】本発明の第１の実施の形態に係る検知手段の第２の構成におけるブリッジ回路の構成を説明するための回路図である。
【符号の説明】
【０１０９】
１２  圧電ヘッド
２０  駆動波形発生回路
２２  電圧増幅回路
２４  圧電素子選択手段
２６  不吐検出選択手段
３０Ａ  コンデンサ
３０Ｂ  抵抗
３２  ブリッジ回路
３４  差動増幅回路
４０  ＤＳＰ
４２  ＣＰＵ
４４  ワイパー
４６  キャップ
４８  吸引ポンプ
５４  インク供給路
５６  圧力室
５８  ノズル
６０  圧電素子
６２  制御部
７０  インクジェット記録装置
７２  インクジェットヘッドユニット
７４  メンテナンスユニット
ＳＷ  圧電素子選択スイッチ
【図１】
2007326237.tif 000025
【図２】
2007326237.tif 000026
【図３】
2007326237.tif 000027
【図４】
2007326237.tif 000028
【図５】
2007326237.tif 000029
【図６】
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【図７】
2007326237.tif 000031
【図８】
2007326237.tif 000032
【図９】
2007326237.tif 000033
【図１０】
2007326237.tif 000034
【図１１】
2007326237.tif 000035
【図１２】
2007326237.tif 000036
【図１３】
2007326237.tif 000037
【図１４】
2007326237.tif 000038
【図１５】
2007326237.tif 000039
【図１６】
2007326237.tif 000040