JP5482336B2 - 液体噴射装置およびその液体状態判定方法 - Google Patents

Description

本発明は、液体噴射装置に関し、特に、液体の状態を判定する技術に関する。

液体噴射装置の一つであるインクジェットプリンターは、圧電素子を電気信号で駆動して振動板を変位させ、複数のノズルからインク滴を吐出することで所定の用紙上に画像形成を行っている。インクジェットプリンターの印字ヘッドには、多数のノズルが設けられているが、インクの粘度の増加や、気泡の混入等の原因によって、インク滴が吐出不良を生じる場合や、ノズルの目詰まりによりインク滴を吐出できない場合がある。インク滴の吐出不良やノズルの目詰まりが生じるとプリントされた画像内にドット抜け等が生じ、画質を劣化させる原因となる。

このようなインク滴の吐出異常において、インクジェットヘッドやインクカートリッジ内のインクの増粘は、インク中の溶媒の蒸発などにより発生するものであり、この蒸発などによるインクの増粘を完全に防止することはできない。このため、従来からインクを予備的に吐出（フラッシング）したり、ポンプによりインクを吸引したり、また、インクの増粘に伴う吐出波形の補正、データの補正などが行われている。

フラッシング処理又はポンプ吸引処理は、吐出異常などが生じてしまう前にインクの増粘を防止するために行なわなくてはならないが、インクの粘度が分からない状態では、不必要にインクを吐出あるいは吸引してしまい、インクジェットプリンターのランニングコストを増加させてしまうおそれがある。

そこで、特許文献１等には、圧電素子を駆動して振動板を変位させた後に、振動板に発生する残留振動の波高値を、圧電素子の起電圧により検出することでインク粘度の状態を判定し、判定されたインク粘度に応じて必要なメンテナンス処理を実行するインクジェットプリンターが記載されている。このインクジェットプリンターは、減衰振動の波高値のピークを検出してホールドするためのピークホールド回路と、ホールドされた波高ピーク値をデジタルデータに変換するためのＡ／Ｄ変換回路を備えている。

特開２００４−２９９３４１号公報

残留振動の波高値は、インク粘度を主とするノズルの状態を判断する上で重要な要素である。しかしながら、波高値検出に必要な、精密測定用に設計されたピークホールド回路やＡ／Ｄ変換回路は高価であり、液体噴射装置のコスト増大を招くことになる。

そこで、本発明は、液体噴射装置においてコストアップを招くことなく液体の状態の判定を可能とすることを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の液体噴射装置は、圧力発生素子とノズルとが設けられた吐出部を備え、前記圧力発生素子に駆動信号を供給した後、液体の振動を示す残留振動波形を検出する検出手段を備えたものにおいて、前記残留振動波形を、振動が収束する波形レベルに対してオフセットを有する基準レベルと比較して二値化信号を生成する二値化手段と、前記二値化信号に基づいて、前記圧力発生素子に駆動信号を供給してから前記残留振動波形の振幅が所定の振幅まで減衰するまでの減衰時間を特定する減衰時間特定手段と、前記減衰時間に基づいて前記液体の状態を判定する判定手段と、を備える。

残留振動波形は時間が経過すると、ある波形レベルに収束する。二値化手段はそのような波形レベルに対してオフセットを有する基準レベルと残留振動波形とを比較することによって、二値化信号を生成する。時間の経過に伴って残留振動波形の振幅は減少するところ、基準レベルよりも振幅が小さくなると、二値化信号のレベルは一方のレベルに固定となり、変化しなくなる。そこで、減衰時間特定手段は、二値化信号に基づいて、減衰時間を特定している。これにより、精密測定用に設計されたピークホールド回路やＡ／Ｄ変換回路が不要となり、コストアップを招くことなく液体状態判定を行なえるようになる。

前記圧力発生素子は、圧電素子であり、前記検出手段は、前記残留振動波形を前記圧電素子の起電力として検出することが好ましい。この場合には、液体をノズルから吐出させるための動力源と、残留振動波形を検出する構成とを兼用することができるので、構成を簡素化することが可能となる。

また、前記二値化手段は、前記オフセットに対応した第１のオフセット値を前記基準レベルとして、前記残留駆動波形を二値化した第１の二値化信号と、前記オフセットに対応した第２のオフセット値を前記基準レベルとして、前記残留駆動波形を二値化した第２の二値化信号とを生成し、前記減衰時間特定手段は、前記第１の二値化信号及び前記第２の二値化信号のレベルが変化しなくなった時点を前記残留振動波形の振幅が所定の振幅まで減衰した時点として前記減衰時間を特定することができる。

より具体的には、前記二値化手段は、前記残留駆動波形を前記第１のオフセット値と比較して前記第１の二値化信号を生成する第１のコンパレータと、前記残留駆動波形を前記第２のオフセット値と比較して前記第２の二値化信号を生成する第２のコンパレータとを備え、前記減衰時間特定手段は、前記第１の二値化信号及び前記第２の二値化信号の排他的論理和を演算する排他的論理和回路を備え、前記排他的論理和回路の出力信号に基づいて前記減衰時間を特定することができる。

また、前記判定手段は、前記第１の二値化信号及び前記第２の二値化信号のうち少なくとも一方の周期と、予め定められた基準周期とを比較し、前記少なくとも一方の周期が前記基準周期より短い場合には、前記減衰時間を特定する処理を中止するようにしてもよい。気泡混入が発生すると残留振動の周期が正常時よりも短くなる。あらかじめ定められた基準周期よりも残留振動の周期が短い場合には、気泡混入が検出されたとして、減衰時間を特定する処理を中止し、気泡混入対応処理を行なうことが望ましいからである。

また、前記判定手段は、前記減衰時間と前記液体の粘度とを対応付けて記憶した記憶手段を備え、前記減衰時間特定手段によって前記減衰時間が特定されると、当該減衰時間に対応する前記液体の粘度を前記記憶手段から読み出して、前記液体の粘度を前記液体の状態として判定することができる。この場合には、複雑な演算処理を実行しなくても記憶手段にアクセスするだけで液体の粘度を得ることができるので、処理を簡素化できる。

上述した液体噴射装置において、前記駆動信号を生成する駆動信号生成手段を備え、前記駆動信号生成手段は、前記減衰時間を測定する場合、前記液体をノズルから吐出させない大きさの前記駆動信号を生成することが好ましい。この場合は、特別な測定期間を設けなくても液体噴射装置の動作中に液体の状態を判定することが可能となるので、液体の状態に対応したリアルタイムの制御が可能となる。

また、本発明は液体噴射装置の液体状態判定方法として把握することもできる。この場合、圧力発生素子とノズルとが設けられた吐出部を備え、前記圧力発生素子に駆動信号を供給した後、液体の振動を示す残留振動波形を検出する検出手段を備えた液体噴射装置を前提とし、液体の状態を判定する方法であって、前記残留振動波形を、振動が収束する波形レベルに対してオフセットを有する基準レベルと比較して二値化信号を生成し、前記二値化信号に基づいて、前記圧力発生素子に駆動信号を供給してから前記残留振動波形の振幅が所定の振幅まで減衰するまでの減衰時間を特定し、前記減衰時間に基づいて前記液体の状態を判定する、ことを特徴とする。

カラーインクジェットプリンターの主要な構成の概略を示す図である。 ピエゾ方式の印字ヘッドの構造を示す図である。 インクジェットプリンターの主要部を概略的に示すブロック図である。 インクの増粘と残留振動波形との関係を説明する図である。 インクの増粘と減衰時間との関係を説明する図である。 気泡混入と残留振動波形との関係を説明する図である。 駆動信号発生部の回路構成を示すブロック図である。 波形メモリーへの書き出しを示す波形図である。 波形メモリーからの読み出しと出力波形を示す波形図である。 印字ヘッド内の構成を示す図である 駆動信号と波形選択データの信号転送との関係を示す図である。 駆動信号と波形選択データとの関係を示す図である。 残留振動検出部の回路構成を示すブロック図である。 残留振動に対する比較器ＣＯＭＰ１、比較器ＣＯＭＰ２、排他的論理和回路ＸＯＲ１の出力レベルを示す図である。 減衰曲線と出力信号ＰＯＵＴ（ｄ）との関係を示す図である。 インク状態判定部のインク状態判定処理について説明するフローチャートである。

１．実施形態
本発明の実施形態について図面を参照して説明する。本実施形態では、本発明の液体噴射装置をカラーインクジェットプリンターに適用した場合について説明する。

図１（ａ）は、カラーインクジェットプリンターの主要な構成を示す略平面図であり、図１（ｂ）は、インク滴を噴射する印字ヘッドのノズル面の一例を示す図である。図１（ａ）に示すように、カラーインクジェットプリンター１００は、印字ヘッド２００（図２参照）及びインクカートリッジ２３０（図２参照）を搭載した可動キャリッジ１１０が、キャリッジ軸１１１に沿った主走査方向で並進移動する。可動キャリッジ１１０は、駆動プーリー１２１、従動プーリー１２２、歯付ベルト１２３及びキャリッジモーター１２０によって駆動され、可動キャリッジ１１０に取り付けられたエンコーダー１１２によってキャリッジ軸１１１上のインクジェットヘッドの位置が検出される。エンコーダー１１２からの信号を受けたキャリッジモータードライバー３３１（図３参照）は、キャリッジモーター１２０を駆動して、可動キャリッジ１１０を加速→一定速度→減速→反転→加速→一定速度→減速→反転という往復運動させる。一定速度の区間が印刷領域に相当し、ケーブル１２４によって接続されたプリントコントローラー（図３参照）からの指示に基づいて、副走査方向に搬送される記録紙Ｐ上にインク滴を噴射することによって所望の文字や画像を記録する。

また、カラーインクジェットプリンター１００は、インク滴不吐出等の回復処理を実行するためのワイパー１３０とノズル面のキャッピングを行なうためのキャップ１３１とを備えている。

図１（ｂ）に示すように、印字ヘッド２００のノズル面には、Ｙ（イエロー）、Ｍ（マゼンタ）、Ｃ（シアン）、Ｋ（黒）ごとに、ノズル列が段をずらして配置される。Ｙ（１）、Ｙ（２）…Ｙ（ｎ）の副走査方向のノズルピッチは、ｄｐｉで表わされる印刷精度に応じて適宜設定される。

図２は、本実施形態で用いられるピエゾ方式の印字ヘッド２００の構造を示す図である。図２（ａ）は、積層アクチュエータを用いたピエゾ方式の印字ヘッド２００の構造を示している。アクチュエータ（積層アクチュエータ）２１０は、圧電素子（積層圧電素子）２０１と、外部電極（−）２０５ａ、内部電極（−）２０５ｂ、外部電極（＋）２０５ｃ、内部電極（＋）２０５ｄを備え、圧電材料と電極とが交互に積層されており、一端が固定され、他端が振動板２０３に固定されている。本実施形態において、アクチュエータ２１０は、図中の矢印で示す上下方向に伸び縮みするモードを利用している。アクチュエータ２１０は、積層されている分、大きな駆動力が発生するのが特徴である。アクチュエータ２１０に駆動信号が与えられると、振動板２０３に変位が生じ、圧力室２０２内の圧力が変化してノズル２２０からインク滴が噴射される。インクは、インクカートリッジ２３０から供給され、リザーバー２０４に溜められる。

図２（ｂ）は、ユニモルフ型のアクチュエータを用いたピエゾ方式の印字ヘッド２００ａの構造を示している。ユニモルフ型のアクチュエータ２１０ａは、圧電材料２０６を上電極２０７ａと下電極２０７ｂとで挟んだ簡単な構造のアクチュエータであるが、振動モードは、本図の上下方向に撓むモードを利用している。インクを噴射する原理は、図２（ａ）に示したアクチュエータ２１０を用いたピエゾ方式の印字ヘッド２００と同様である。

図３は、カラーインクジェットプリンター１００の主要部を概略的に示すブロック図である。本図においてカラーインクジェットプリンター１００は、給紙モーター１４０と、キャリッジモーター１２０と、印字ヘッド２００と、インクの残留振動を検出する残留振動検出部４００と、これらを制御するプリントコントローラー３００とを備えている。なお、インクが吐出されると圧力室２０２の圧力が変化する。この場合、インクの残留変動は振動板２０３の振動として捉えることもできる。

プリントコントローラー３００は、ホストコンピューター５００から入力された印刷データなどを受け取るインタフェース部（ＩＦｃ）３１０と、制御部３２０と、キャリッジモーター１２０を駆動制御するキャリッジモータードライバー３３１と、給紙モーター１４０を駆動制御する給紙モータードライバー３３２と、クロック信号ＳＣＫを発生する発振回路３３３と、印字ヘッド２００に出力する駆動信号ＣＯＭを発生する駆動信号発生部３３４と、インタフェース部（ＩＦｄ）３３１とを備えている。インタフェース部（ＩＦｄ）３３１は、給紙モーター１４０、キャリッジモーター１２０、印字ヘッド２００、残留振動検出部４００との信号を入出力する。

制御部３２０は、印刷処理や残留振動検出の結果を受けて各ノズル２２０の正常／異常を判定する処理などの各種処理を実行するＣＰＵ３２１と、ホストコンピューター５００からＩＦｃ３１０を介して入力される印刷データ等を一時的に格納するＲＡＭ３２３と、制御プログラム、温度補正テーブル等を記憶したＲＯＭ３２４とを備えている。なお、制御部３２０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。

本実施形態において、ＣＰＵ３２１には、インク状態判定部３２２が構成される。インク状態判定部３２２は、ＣＰＵ３２１が、ＲＯＭ３２４に記録された制御プログラムを実行することにより、仮想的に構成される。インク状態判定部３２２は、残留振動検出部４００における残留振動の検出結果から得られる残留振動の減衰時間Ｔｄと振動周期Ｔｔに基づいてインク粘度や気泡混入等のインク状態を判定する。インク状態判定部３２２の処理の詳細については後述する。

また、ＲＯＭ３２４には、上述の制御プログラム等に加え、インク粘度減衰特性テーブル３２５、残留振動基準周期値３２６が記憶されている。インク粘度減衰特性テーブル３２５は、インク状態判定部３２２が、振動板２０３の残留振動の減衰時間Ｔｄに基づいて、インクの粘度を判定する際に用いるテーブルであり、残留振動基準周期値３２６は、インク状態判定部３２２が、振動板２０３の残留振動の振動周期Ｔｔに基づいて気泡混入の有無を判定する際に用いる基準値である。

ここで、インクの増粘と残留振動波形との関係について図４を参照して説明する。プリントコントローラー３００からアクチュエータ２１０に個別駆動信号が印加されると、振動板２０３が撓み、圧力室２０２の容積が拡大し収縮する。このときインク室に発生する圧力により、圧力室２０２を満たすインクの一部が、このインク室に連通しているノズル２２０からインク滴として噴射される。この一連の振動板２０３の動作により、ノズル２２０、インク供給口の形状やインク粘度等による流路抵抗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２０３のコンプライアンスｃによって決定される固有振動周波数で振動板２０３が自由振動を起こす。これが残留振動である。振動板２０３の自由振動は圧力室２０２の内圧の変化に応じたものとなっている。すなわち、振動板２０３の残留振動はインク（液体）の残留振動と等価である。

図４（ａ）は、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。この計算モデルに圧力Ｐを与えたときのステップ応答を体積速度ｕについて計算すると図中の（式１）〜（式３）が得られる。インクが増粘すると、流路抵抗ｒが増加し、残留振動の減衰が大きくなる。そして、減衰の変化に応じて減衰時間Ｔｄが変化する。

図４（ｂ）は、インクの粘度と残留振動波形との関係を示す図である。また、図５は、インクの増粘と減衰時間との関係を示す図である。これらの図からもわかるように、減衰時間Ｔｄとインクの粘度比とが対応し、インクが増粘すると減衰時間Ｔｄが短くなる。

そこで、本実施形態では、インク粘度減衰特性テーブル３２５に減衰時間Ｔｄとインク粘度との対応関係をあらかじめ記録しておくようにする。このようにすることで、残留振動の減衰時間Ｔｄを測定し、インク粘度減衰特性テーブル３２５を参照することで、波高値を検出することなく、インクの粘度を判定することができるようになる。

次に、気泡混入と残留振動波形との関係について図６を参照して説明する。本図に示すように、気泡混入時には、振動板２０３の残留振動の振動周期が短くなる。これは、以下の理由による。すなわち、インク流路内に気泡が混入すると、インク流路内のインクが少なくなるため、主に、イナータンスｍが減少する。図４（ａ）中の（式２）より、ｍが減少すると角速度ωが大きくなり、振動周期が短くなる。

したがって、残留振動波形の振動周期を測定することで、気泡混入の有無を判定することができることになる。そこで、本実施形態では、正常時の残留振動周期に基づいて定められる残留振動基準周期値３２６をあらかじめ記憶しておくようにする。本実施形態において、残留振動基準周期値３２６は、気泡が混入したと判断できる振動周期の上限値を設定しておく。これにより、振動板２０３の残留振動の振動周期Ｔｔを測定し、残留振動基準周期値３２６と比較することで、気泡混入の有無を判定することができる。

説明を図３に戻す。印字ヘッド２００には、プリントコントローラー３００のインタフェース部３３１から、駆動信号ＣＯＭ、波形選択データＳＩ、ラッチ信号ＬＡＴ、及びクロック信号ＳＣＫが入力される。駆動信号ＣＯＭは、複数の駆動波形から構成されており（図１１参照）、アクチュエータ２１０を駆動するために用いられる。波形選択データＳＩは、複数のノズルの各々について複数の駆動波形の中から一つを指定する。波形選択データＳＩは、例えば、ノズルの列単位で転送される。ラッチ信号ＬＡＴは、波形選択データＳＩの転送単位でアクティブとなる信号である。クロック信号ＳＣＫは波形選択データＳＩに同期している。

図７は、アクチュエータ２１０に印加する駆動パルスである駆動信号ＣＯＭを生成する駆動信号発生部３３４の回路構成を示すブロック図である。駆動信号発生部３３４は、制御部３２０から送られる駆動信号ＣＯＭを形成するための波形データを一時的に記憶する波形メモリー３３４ａと、この波形メモリー３３４ａから必要な波形データを読み出して一時的に保持する第１ラッチ３３４ｂと、第１ラッチ３３４ｂの出力と次段の第２ラッチ３３４ｄの出力とを加算する加算器３３４ｃと、加算器３３４ｃの出力を一時的に保持する第２ラッチ３３４ｄと、第２ラッチ３３４ｄの出力をアナログ値に変換するＤ／Ａ変換器３３４ｅと、変換されたアナログ値を必要な電圧値に増幅する電圧増幅部３３４ｆと、増幅された駆動信号ＣＯＭの電流を増幅する電流増幅部３３４ｇとを備えて構成される。

波形メモリー３３４ａは、アドレスが定められたそれぞれ数ビットずつのメモリー素子が配列され、駆動信号ＣＯＭの元となる波形データＤＡＴＡが記憶される。本実施形態では、図８に示すように、制御部３２０からアドレスＡ０〜Ａ３に対して、クロック信号ＷＣＬＫと共に波形データＤＡＴＡが入力され、書き込み信号ＤＥＮの入力により、メモリー素子に波形データＤＡＴＡが記憶される。

図９に、波形メモリー３３４ａからの波形データ読み出しと、駆動信号ＣＯＭ生成のタイミングを示す。この例では、アドレスＡ０に単位時間当りの電圧変化量として０となる波形データが書き込まれているものとする。同様にして、アドレスＡ１に＋ΔＶ１、アドレスＡ２に−ΔＶ２（ΔＶ２＝ΔＶ１／２とする）、アドレスＡ３に＋ΔＶ３の波形データが書き込まれているものとする。

まず、クリア信号ＣＬＥＲが入力され（ローアクティブ）、第１ラッチ３３４ｂ、第２ラッチ３３４ｄの保存データがクリアされる。駆動信号ＣＯＭは、所望の波形データによって中間電位（オフセット）まで立ち上げられている。この動作は、以降に説明される駆動信号ＣＯＭの生成と同様に行なわれるため、説明を省略する。

次に、駆動信号波形の生成について説明する。図９に示すように、まず、波形メモリー３３４ａからアドレスＡ１の波形データＤＡＴＡが読み出され、第１クロック信号ＡＣＬＫによって第１ラッチ３３４ｂに＋ΔＶ１の値が保存される。保存された＋ΔＶ１は、加算器３３４ｃを経て第２ラッチ３３４ｄに入力される。第２ラッチ３３４ｄは、第２クロック信号ＢＣＬＫの立ち上がりに同期して加算器３３４ｃの算出結果を保存する。保存された第２ラッチ３３４ｄの出力は、加算器３３４ｃに入力され、第１ラッチ３３４ｂからの出力と加算され、再び第２ラッチ３３４ｄに入力される。

すなわち、加算結果が第２ラッチ３３４ｄに保存される第２クロック信号ＢＣＬＫの立ち上がりのタイミングで順次＋ΔＶ１の値が加算される。本図の例では、時間幅Ｔ１までアドレスＡ１の波形データが入力され、＋ΔＶ１の値が３倍となるまで加算されている。同様にしてアドレスＡ０が読み出され、電圧変化量が０となると、時間幅Ｔ０の間では加算器３３４ｃは、アドレスＡ１で入力された加算結果を保持している。

アドレスＡ２が読み出されると、−ΔＶ２の値で加算（−符号であるため実際には減算）が繰り返され、時間幅Ｔ２の間でオフセット値まで立ち下げられる。再び、アドレスＡ０が読み出され、電圧変化量が０となると、加算器３３４ｃは、アドレスＡ２で入力された加算結果を保持する。このように波形データＤＡＴＡに基づいて駆動信号ＣＯＭが形成される。もちろん形成する駆動信号ＣＯＭは、本例に限られない。例えば、複数の形状の駆動信号ＣＯＭを生成して、それぞれのインク噴射量を変化させることで階調表現を行なうことができる。

図１０は、印字ヘッド２００内の構成を示す図である。印字ヘッド２００は、シフトレジスター２６１、ラッチ２６２、レベルシフター２６３、選択スイッチ２６４及びアクチュエータ２１０を備えている。また、上述のようにカラーインクジェットプリンター１００の印字ヘッド２００には、複数個のノズル２２０が設けられており、各ノズル２２０に対応したアクチュエータ２１０が備えられている。そして、選択されたノズル２２０に対応するアクチュエータ２１０に駆動信号ＣＯＭが供給される。

図１０を参照して、駆動信号ＣＯＭがアクチュエータ２１０に接続される動作について説明する。ここで、シフトレジスター２６１は、インクを噴射させるノズル２２０に対応したアクチュエータ２１０を指定する波形選択データＳＩを保存する。ラッチ２６２は、シフトレジスター２６１のデータを一時的に保存する。レベルシフター２６３はラッチ２６２の出力をレベル変換する。選択スイッチ２６４は、レベルシフター２６３の出力に応じて駆動信号ＣＯＭをアクチュエータ２１０に供給する。

シフトレジスター２６１には、波形選択データＳＩが順次入力される。波形選択データＳＩは、クロックＣＬＫの立ち上がりエッジに同期してシフトレジスター２６１の初段から後段に順次シフトされる。ラッチ２６２は、ノズル数分（一列分）の波形選択データＳＩがシフトレジスター２６１に格納された後に入力されるラッチ信号ＬＡＴによって、シフトレジスター２６１の各段で転送された波形選択データＳＩをラッチする。ラッチ２６２に保存された信号は、レベルシフター２６３によって次段の選択スイッチ２６４をオンオフできる電圧レベルに変換される。

駆動信号ＣＯＭは、ラッチ２６２の出力電圧に比べて高い電圧であるため、選択スイッチ２６４の動作電圧範囲も高くなっている。選択スイッチ２６４はＰチャンネルＦＥＴとＮチャンネルＦＥＴとを組み合わせたトランスミッションゲートによるアナログスイッチによって構成されている。このアナログスイッチを十分に動作させるためゲート電圧を高い値にレベル変換している。レベルシフター２６３によって選択スイッチ２６４のゲート電圧が印加されたアクチュエータ２１０には、駆動信号ＣＯＭが供給される。このようにして、インクを噴射するノズルに対応したアクチュエータ２１０に駆動信号ＣＯＭが供給される。一方、駆動信号ＣＯＭは供給されなかったアクチュエータ２１０に対応したノズルからはインクは噴射されない。

図１１は、駆動信号ＣＯＭと波形選択データＳＩの信号転送との関係を示す図であり、１画素の生成区間に駆動信号ＣＯＭ（波形１、波形２）を１ユニットとして生成する例を示している。本実施形態の駆動信号ＣＯＭでは、インク滴を噴射する駆動波形として波形１および波形２といった２種類を設定している。なお、波形１による駆動ではインク滴がノズルから吐出されるが、波形２はいわゆる微振動に該当しインク滴が吐出されない。波形２は、インクの増粘を抑制するとともにインクの状態を把握するために用いられる。

この例では、波形１および波形２を選択できるように、波形選択データＳＩは、１ノズル１画素当り２ビット（ＳＩＨ、ＳＩＬ）が割り当てられる。この２ビットの波形選択データＳＩによって、２つの駆動波形からなる１つの駆動信号ＣＯＭに対して選択パターンを４種類の状態で設定できる。また、並列に出力される２つの駆動信号ＣＯＭのうち、どの駆動信号ＣＯＭを選択するかを指定するため、１ノズル当り２ビットの駆動信号選択データを送信して駆動信号ＣＯＭを選択している。

ある駆動周期Ｔにおいて駆動信号ＣＯＭ（波形１、波形２）の波形を選択するための波形選択データＳＩは、当該駆動周期Ｔの直前の駆動周期Ｔにおいてシフトレジスター２６１に転送される。そして、駆動波形が出力されている間に、次の駆動信号ＣＯＭ（波形１、波形２）の波形を選択するための波形選択データＳＩが供給される。例えば、１列のノズルが１００個で構成される場合には、１００個のクロック信号ＳＣＫがシフトレジスター２６１に供給される。なお、駆動信号ＣＯＭの波形１と波形２との切替え位置は、チャネル信号ＣＨによって設定されている。

図１２は、波形選択データＳＩに基づいて選択された駆動波形を示す図である。ＳＩ（００）では、駆動信号ＣＯＭが選択されず、このデータが設定されたノズル２２０は、インク非噴射で、ノズル２２０の検査も行なわれない。ＳＩ（１０）が選択されたノズル２２０は、波形１によりインクが噴射されるが、ノズル２２０の検査は行なわれない。ＳＩ（０１）が選択されたノズル２２０は、波形２による微振動が実行され、インクが非噴射でノズル２２０の検査が行なわれる。ＳＩ（１１）が選択されたノズル２２０は、波形１インクが噴射され、ノズル２２０の検査も行なわれる。信号ＤＳＥＬは、残留振動検出部４００が残留振動を検出するタイミング信号であり、波形２の選択に応じてタイミング信号ＤＳＥＬがローレベル（アクティブ）となる。

ノズル検査に関して、ＳＩ（０１）は、ノズル検査のみを行ない、ＳＩ（１１）では、一旦波形１でインクを噴射し、ノズル２２０内のインクをリフレッシュした後にノズル検査を行なうようにしている。

図１３は、残留振動検出部４００の回路構成を示すブロック図である。本図に示すように、残留振動検出部４００は、印字ヘッド２００のグランド端ＨＧＮＤをグランドに接地または解放するスイッチとして機能するトランジスタＱと、印字ヘッド２００のアクチュエータ２１０へ駆動信号ＣＯＭを印加した後に、グランド端ＨＧＮＤを解放することで発生する残留振動の交流成分を増幅する交流増幅器ＡＣＡＭＰと、増幅された残留振動ＶａＯＵＴを基準電圧ＶｒｅｆＰと比較することでパルスに変換する比較器ＣＯＭＰ１と、増幅された残留振動ＶａＯＵＴを基準電圧ＶｒｅｆＮと比較することでパルスに変換する比較器ＣＯＭＰ２と、比較器ＣＯＭＰ１の出力と信号ＤＳＥＬとの論理和を出力するオア回路ＯＲ１と、比較器ＣＯＭＰ１と比較器ＣＯＭＰ２の出力の排他的論理和を出力する排他的論理和回路ＸＯＲ１と、排他的論理和回路ＸＯＲ１の出力と信号ＤＳＥＬとの論理和を出力するオア回路ＯＲ２とを備えている。ただし、オア回路ＯＲ１は、比較器ＣＯＭＰ２の出力と信号ＤＳＥＬとの論理和を出力するようにしてもよい。なお、交流増幅器ＡＣＡＭＰは、直流成分をカットするコンデンサＣと、ＧＮＤを基準にして抵抗Ｒ２／Ｒ１で定まる増幅率で反転増幅する演算器ＡＭＰで構成されている。

この構成により、比較器ＣＯＭＰ１および比較器ＣＯＭＰ２で検出された２つのパルスは、排他的論理和回路ＸＯＲ１によって統合される。また、残留振動の検出タイミングに発生するパルスのみを抽出するために、オア回路ＯＲ１、ＯＲ２によって、信号ＤＳＥＬのローレベルによって指示される検出タイミング以外のパルスを除去している。

残留振動検出部４００における残留振動の検出は、圧力室２０２内の残留振動による圧力変化がアクチュエータ２１０に伝達されることを利用している。圧電素子２０１を使用したアクチュエータ２１０の場合、残留振動に基づく圧電素子２０１の機械的変位によって発生する起電圧の変化として残留振動を検出することができる。

残留振動検出部４００では、起電圧の変化に対応した残留振動ＶａＯＵＴを、比較器ＣＯＭＰ１と比較器ＣＯＭＰ２とによって２値化している。すなわち、比較器ＣＯＭＰ１は、残留振動ＶａＯＵＴが基準電圧ＶｒｅｆＰを下回った場合にハイレベルを出力し、比較器ＣＯＭＰ２は、残留振動ＶａＯＵＴが基準電圧ＶｒｅｆＮを下回った場合にハイレベルを出力する。ここで、基準電圧ＶｒｅｆＰは、ＧＮＤ電圧よりも正側に設定し、基準電圧ＶｒｅｆＮは、ＧＮＤ電圧よりも負側に設定するようにする。つまり、ＶｒｅｆＮとＶｒｅｆＰとが振動が収束する波形レベルに対してオフセットを有する基準レベルとなるように設定する。

これにより、比較器ＣＯＭＰ１の出力レベルと比較器ＣＯＭＰ２の出力レベルとの排他的論理和を出力する排他的論理和回路ＸＯＲ１は、電圧ＶａＯＵＴが、基準電圧ＶｒｅｆＮから基準電圧ＶｒｅｆＰの範囲内に留まっている状態においてハイレベルを出力することになる。

図１４は、残留振動に対する比較器ＣＯＭＰ１、比較器ＣＯＭＰ２、排他的論理和回路ＸＯＲ１の出力レベルを示す図である。本図に示すように、残留振動ＶａＯＵＴが基準電圧ＶｒｅｆＰを下回った期間に比較器ＣＯＭＰ１がハイレベルを出力し、残留振動ＶａＯＵＴが基準電圧ＶｒｅｆＮを下回った期間に比較器ＣＯＭＰ２がハイレベルを出力する。そして、比較器ＣＯＭＰ１およびＣＯＭＰ２の出力がいずれもハイレベルの期間、すなわち、残留振動ＶａＯＵＴが、基準電圧ＶｒｅｆＮと基準電圧ＶｒｅｆＰの範囲内に留まっている期間に排他的論理和回路ＸＯＲ１がハイレベルを出力している。なお、排他的論理和回路ＸＯＲ１の出力は、オア回路ＯＲ２により出力信号ＰＯＵＴ（ｄ）として取り出される。

そして、アクチュエータ２１０に駆動信号ＣＯＭの供給が終了してから（図１２に示す信号ＤＳＥＬがハイレベルからローレベルに遷移した時点から）、残留振動ＶａＯＵＴが基準電圧ＶｒｅｆＮと基準電圧ＶｒｅｆＰの範囲内に収束するまでの時間を減衰時間Ｔｄと定める。すなわち、減衰時間Ｔｄは、排他的論理和回路ＸＯＲ１の出力がハイレベルで安定して、減衰振動の振幅が所定の基準値以下となるまでの時間を意味する。出力信号ＰＯＵＴ（ｄ）のパルスエッジの発生から終了までの時間は、ほぼ減衰曲線の減衰時間Ｔｄに一致する。

図１５は、インクの粘度比と減衰曲線との関係を示す図である。ここでは、通常の状態である粘度比１．０のときの減衰曲線を図１５（ａ）に示し、増粘として検出すべき状態である粘度比２．６のときの減衰曲線を図１５（ｂ）に示している。本図からも、減衰振動の振幅が減衰して、二値化の基準となる基準電圧ＶｒｅｆＮと基準電圧ＶｒｅｆＰの範囲内に収まった時点が減衰時間Ｔｄとして得られることがわかる。

また、図１４に示すように、本実施形態では、比較器ＣＯＭＰ１の初期パルスの１周期を残留振動ＶａＯＵＴの振動周期Ｔｔとみなしている。振動周期Ｔｔは、本来、残留振動ＶａＯＵＴのゼロクロスの時間間隔から与えられるが、振幅が大きい初期パルスであれば、残留振動ＶａＯＵＴと基準電圧ＶｒｅｆＰとの比較であっても差が小さいからである。残留振動の振動周期Ｔｔに対応する信号は、オア回路ＯＲ１により、出力信号ＰＯＵＴ（ｔ）として取り出される。なお、残留振動の振動周期Ｔｔは、比較器ＣＯＭＰ２の初期パルスの振動周期から取得するようにしてもよい。

制御部３２０のインク状態判定部３２２は(図３参照)、残留振動検出部４００から出力信号ＰＯＵＴ（ｄ）とＰＯＵＴ（ｔ）とを取得してインクの状態を判定する。このときに、インク粘度減衰特性テーブル３２５と、残留振動基準周期値３２６とが参照される。

インク状態判定部３２２のインク状態判定処理について図１６のフローチャートを参照して説明する。インク状態判定処理は、図１２に示したように波形２が選択されて、信号ＤＳＥＬがローレベルになることで開始する（Ｓ１０１）。信号ＤＳＥＬがローレベルになると、残留振動検出部４００のトランジスタＱ（図１３参照）がオフとなり、交流増幅器ＡＣＡＭＰに、圧電素子２０１の機械的変位によって発生する起電圧が入力される。この圧電素子２０１の機械的変位は、アクチュエータ２１０に印加された波形２によって変位した振動板２０３の残留振動によるものである。

次いで、出力信号ＰＯＵＴ（ｔ）の初期パルスの振動周期に基づいて、残留振動の振動周期Ｔｔを測定する（Ｓ１０２）。そして、残留振動基準周期値３２６を参照して、測定した残留振動の振動周期Ｔｔが残留振動基準周期値３２６より短いかどうかを判断する（Ｓ１０３）。

その結果、残留振動の振動周期Ｔｔが残留振動基準周期値３２６より短い場合（Ｓ１０３：Ｙｅｓ）には、インク流路内に気泡が混入したと判断し、気泡混入対応処理を行なう（Ｓ１０４）。この場合、以降の減衰時間測定処理等は行なわない。

一方、残留振動の振動周期Ｔｔが残留振動基準周期値３２６より短くない場合（Ｓ１０３：Ｎｏ）には、減衰時間Ｔｄを測定する（Ｓ１０５）。減衰時間Ｔｄの測定は、波形２をアクチュエータ２１０に印加してから、出力信号ＰＯＵＴ（ｄ）がハイレベルで安定するまでの時間を計測することで行なう。

そして、インク粘度減衰特性テーブル３２５を参照することで（Ｓ１０６）、得られた減衰時間Ｔｄに対応するインク粘度を判定する（Ｓ１０７）。プリントコントローラー３００は、判定されたインク粘度に応じて、必要なメンテナンス処理を行なうことができる。メンテナンス処理は、例えば、フラッシング、ポンプによるインク吸引等とすることができる。これらのメンテナンス処理は、インクの粘度に応じて必要な場合にのみ行なわれるため、無駄なインク消費を防ぐことができ、カラーインクジェットプリンター１００のランニングコストを抑えることができる。

以上説明したように、本実施形態では、残留振動検出部４００において、比較器ＣＯＭＰ１およびＣＯＭＰ２を用いて残留振動を二値化し、その結果に基づいて減衰時間Ｔｄおよび振動周期Ｔｔを得て、インクの状態を判定している。このため、精密測定用に設計されたピークホールド回路やＡ／Ｄ変換回路を必要とせず、コストアップを招くことなくインクの状態を判定することができる。

２．変形例
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、例えば、以下の変形が可能である。
（１）上述した実施形態では、インクを吐出するために圧電素子２０１を用い、その起電力によって残留振動を検出した。すなわち、インクを吐出するための構成と残留振動を検出するための構成が兼用されていた。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、両者が別構成であってもよい。例えば、振動板２０３を振動させる圧電素子２０１とは別に残留振動を検出するための圧電素子を設けてもよい。
また、インクを吐出させる方式としてサーマル方式を採用してもよい。この場合にはヒーターによって圧力室のインクに内圧が与えられる。この意味においてヒーターは、圧電素子２０１と同様に圧力を発生させる圧力発生素子である。圧電素子２０１は、圧力発生素子のうち、起電力を発生する素子であるといえる。圧力発生素子としてヒーターを使用した場合に、インクの残留振動を計測する圧電素子を設けてもよい。

（２）上述した実施形態および変形例においては、インクを吐出させない波形２の後に残留振動を検出するようにした。このため、残留振動を検出するために特別な期間を設ける必要がなかったが、本発明はこれに限定されるものではなく、波形２でインクを吐出させて、その後、圧電素子２０１の起電力によって残留振動を検出するようにしてもよい。

（３）上述した実施形態では、液体噴射装置として、インクを噴射するカラーインクジェットプリンター１００ について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、液体を液滴として吐出する各種の液体噴射装置であってもよい。例えば、ファックス、コピア等を含む印刷装置や、液晶ディスプレイ、ＥＬディスプレイ及び面発光ディスプレイの製造などに用いられる電極材や色材などの液体を噴射する液体噴射装置、バイオチップ製造に用いられる生体有機物を噴射する液体噴射装置、精密ピペットとしての試料噴射装置であってもよい。

１００…カラーインクジェットプリンター、２１０…アクチュエータ、２２０…ノズル、２３０…インクカートリッジ、３００…プリントコントローラー、３２０…制御部、３２１…ＣＰＵ、３２２…インク状態判定部、３２５…インク粘度減衰特性テーブル、３２６…残留振動基準周期値、３３４…駆動信号発生部、４００…残留振動検出部。

Claims (7)

1. 圧力発生素子とノズルとが設けられた吐出部を備え、前記圧力発生素子に駆動信号を供給した後、液体の振動を示す残留振動波形を検出する検出手段を備えた液体噴射装置において、
   前記残留振動波形を、振動が収束する波形レベルに対してオフセットを有する基準レベルと比較して二値化信号を生成する二値化手段と、
   前記二値化信号に基づいて、前記圧力発生素子に駆動信号を供給してから前記残留振動波形の振幅が所定の振幅まで減衰するまでの減衰時間を特定する減衰時間特定手段と、
   前記減衰時間と前記液体の粘度とを対応付けて記憶した記憶手段と、
   前記減衰時間に対応する前記液体の粘度を前記記憶手段から読み出して、前記液体の粘度を判定する判定手段と、
   を備える液体噴射装置。
2. 前記圧力発生素子は、圧電素子であり、
   前記検出手段は、前記残留振動波形を前記圧電素子の起電力として検出することを特徴とする請求項１に記載の液体噴射装置。
3. 前記二値化手段は、前記オフセットに対応した第１のオフセット値を前記基準レベルとして、前記残留駆動波形を二値化した第１の二値化信号と、前記オフセットに対応した第２のオフセット値を前記基準レベルとして、前記残留駆動波形を二値化した第２の二値化信号とを生成し、
   前記減衰時間特定手段は、前記第１の二値化信号及び前記第２の二値化信号のレベルが変化しなくなった時点を前記残留振動波形の振幅が所定の振幅まで減衰した時点として前記減衰時間を特定する、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の液体噴射装置。
4. 前記二値化手段は、
   前記残留駆動波形を前記第１のオフセット値と比較して前記第１の二値化信号を生成する第１のコンパレータと、
   前記残留駆動波形を前記第２のオフセット値と比較して前記第２の二値化信号を生成する第２のコンパレータとを備え、
   前記減衰時間特定手段は、
   前記第１の二値化信号及び前記第２の二値化信号の排他的論理和を演算する排他的論理和回路を備え、
   前記排他的論理和回路の出力信号に基づいて前記減衰時間を特定する、
   ことを特徴とする請求項３に記載の液体噴射装置。
5. 前記判定手段は、前記第１の二値化信号及び前記第２の二値化信号のうち少なくとも一方の周期と、予め定められた基準周期とを比較し、前記少なくとも一方の周期が前記基準周期より短い場合には、前記減衰時間を特定する処理を中止することを特徴とする請求項３又は４に記載の液体噴射装置。
6. 前記駆動信号を生成する駆動信号生成手段を備え、
   前記駆動信号生成手段は、前記減衰時間を測定する場合、前記液体をノズルから吐出させない大きさの前記駆動信号を生成することを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の液体噴射装置。
7. 圧力発生素子とノズルとが設けられた吐出部と、記憶部と、を備え、前記圧力発生素子に駆動信号を供給した後、液体の振動を示す残留振動波形を検出する検出手段を備えた液体噴射装置において、液体の粘度を判定する液体噴射装置の液体状態判定方法であって、
   前記残留振動波形を、振動が収束する波形レベルに対してオフセットを有する基準レベルと比較して二値化信号を生成し、
   前記二値化信号に基づいて、前記圧力発生素子に駆動信号を供給してから前記残留振動波形の振幅が所定の振幅まで減衰するまでの減衰時間を特定し、
   前記記憶部から前記減衰時間と粘度との関係が示されたインク粘度減衰特性テーブルを読み出して、前記インク粘度減衰特性テーブルと前記減衰時間に基づいて前記液体の粘度を判定する、
   ことを特徴とする液体噴射装置の液体状態判定方法。

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