JP2005186619A - 液滴吐出ヘッド及び画像記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】駆動用の電気−機械変換素子の占有面積を減らさず、検出感度を高くし、さらに駆動中でも振動の検出を可能とする。
【解決手段】液滴を吐出するノズルが設けられた圧力室の一面を形成する振動板を駆動する電気−機械変換素子を歪ませて前記圧力室を圧縮し前記ノズルから液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドであって、前記振動板上に、前記振動板駆動用の電気−機械変換素子と、前記圧力室内の振動状態を検出する検出用の機械−電気変換素子とが、層構造をなして配置されていることを特徴とする液滴吐出ヘッドを提供することにより前記課題を解決する。【選択図】 図４

Description

本発明は、液滴吐出ヘッド及び画像記録装置に係り、特に、圧電素子を用いた液滴吐出ヘッドの圧力室内の振動を検出するための電気−機械変換素子と機械−電気変換素子の構成を工夫した液滴吐出ヘッド及び画像記録装置に関する。

画像記録装置の一例として、多数のノズル（画像記録素子）を配列させたインクジェットヘッド（印字ヘッド）を有し、このインクジェットヘッドと記録媒体を相対的に移動させつつノズルからインクを吐出することにより、記録媒体上に画像を形成するインクジェット記録装置が知られている。

このようなインクジェット記録装置のインクジェットヘッドにおけるインク吐出方式には、様々なものがある。例えば、圧電素子（圧電セラミックス）の変形によって圧力室の一部を構成する振動板を変形させて圧力室の容積を変化させ、圧力室の容積増大時にインク供給路から圧力室内にインクを導入し、圧力室の容積減少時に圧力室内のインクをノズルから液滴として吐出する圧電方式や、インクを加熱して気泡を発生させ、この気泡が成長する際の膨張エネルギーでインクを吐出させるサーマルインクジェット方式などが知られている。

例えば、圧電素子を用いたインクジェットヘッドは、基板上に圧電素子、振動板、その中にインク供給路や圧力室が形成される流路板、その中にインク吐出口が形成されるノズル板（オリフィスプレート）等を積層して形成された積層構造を有している。

このような圧電素子を用いたインクジェットヘッドにおいて、ヘッド内部に空気が混入し、圧力室の容積変化がこの空気で形成される気泡に吸収され、インクに充分な加圧力を付与することができず、インク吐出が不完全となったり、ゴミ等がノズルに詰まったり、インクが圧力室に未充填の場合には、インク滴が吐出しなかったりする。このような場合、正常なインク滴吐出時と比べ、圧力室内の振動の状態が違って来る。インクの不吐出や不完全吐出を検出するために、従来圧力室内の振動状態を検出する様々な方法が提案されている。

例えば、インクタンクからのインクが供給されるインク供給口とインクを粒子化して飛翔せしめるインク滴噴出口とを有するインク室（圧力室）を構成する壁面の一部が電気信号に応答して変位し、インク室内の容積を変化せしめる振動子から成るインク噴出装置において、振動子の一部がその変位を検出する為の検出器として構成され、検出器により変位の異常が検出された場合には、空気排出操作を行うようオペレータに通報するか、あるいは、インク室から所定量のインクを強制的に流出させ、混入した空気を同時に排出する等の自動空気排出操作を行わせることによりインク噴出不能状態を解除するようにしたものが知られている（例えば、特許文献１あるいは特許文献２等参照）。

また、記録動作時には、駆動パルス電圧をインク室の側壁に設けられた複数の電気機械変換素子のすべてに与えてインク室からインクを噴出させ、異常検出時には、複数の電気機械変換素子の一部にのみインクが噴出しない程度の検出パルス電圧を与えるとともに、他の電気機械変換素子を異常検出回路に接続するように切り換えて、気泡混入等による振動状態の変化を検出することにより異常を検出するようにしたものが知られている（例えば、特許文献３あるいは特許文献４等参照）。
特開昭５５−１１８８７８号公報 特公昭５９−２６２０号公報 特開昭６３−１２２５４９号公報 特公平８−２５２７５号公報

しかしながら、上記特許文献１あるいは２に記載されたものでは、検出用の機械−電気変換素子を振動板上に接合するための面積が必要となるため、検出用の機械−電気変換素子を取り付ける分、駆動用の電気−機械変換素子の占有面積を小さくしなければならず、駆動効率的に不利であるという問題がある。

また、上記特許文献３あるいは４に記載されたものでは、複数の電気−機械変換素子の一部を切り換え回路により検出用の機械−電気変換素子として使用するようにしているため、一部の電気−機械変換素子で発生させた振動を、これに隣接する振動板上で検出することとなるため検出感度が落ち、さらに、検出している間は電気−機械変換素子を駆動用として使用することができず、インクを噴出させることができないという問題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、駆動用の電気−機械変換素子の占有面積を減らさず、検出感度を高くし、さらに駆動中でも検出可能な振動検出機構を備えた液滴吐出ヘッド及び画像記録装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、液滴を吐出するノズルが設けられた圧力室の一面を形成する振動板を駆動する電気−機械変換素子を歪ませて前記圧力室を圧縮し前記ノズルから液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドであって、前記振動板上に、前記振動板駆動用の電気−機械変換素子と、前記圧力室内の振動状態を検出する検出用の機械−電気変換素子とが、層構造をなして配置されていることを特徴とする液滴吐出ヘッドを提供する。

これにより、振動板を駆動する電気−機械変換素子の占有面積を減らさずに、検出感度を高くし、液滴吐出ヘッドを駆動して液滴を吐出している間も圧力室内の振動状態の検出が可能である。

また、前記層構造は、前記振動板駆動用の電気−機械変換素子と前記検出用の機械−電気変換素子が、それぞれ１層以上積層された２層以上の層構造をなしていることを特徴とする。

また、前記振動板駆動用の電気−機械変換素子及び前記検出用の機械−電気変換素子が、同一素材である場合、グリーンシートを使用することができ、層間電極の接続で構成することができる。

また、前記振動板駆動用の電気−機械変換素子及び前記検出用の機械−電気変換素子が、別素材である場合、駆動用、検出用のそれぞれに適した、変換効率の良い素子を用いて接合することが可能となる。

また、前記液滴吐出ヘッドは、さらに、前記検出用の機械−電気変換素子を前記振動板駆動用の電気−機械変換素子に流用するための回路切り換え手段を備えたことを特徴とする。これにより、検出用の素子を駆動用に流用することで、吐出力が増大しノズル目詰まり回復動作が可能となる。

また、前記液滴吐出ヘッドは、さらに、前記検出用の機械−電気変換素子によって検出された波形から前記圧力室内の状況を判別する判別手段を備え、該判別結果に応じた回復動作を行うことを特徴とする。圧力室内の状況を判別することにより、その時の状況に応じた最適な回復処理を行うことが可能となる。

また、同様に前記目的を達成するために、請求項７に記載の発明は、前記液滴吐出ヘッドを備えたことを特徴とする画像記録装置を提供する。

これによれば、前記液滴吐出ヘッドを画像記録装置に用いることにより、画像記録中においても異常検出ができるため、出力プリントの品質を維持することが可能となる。

以上説明したように、本発明に係る液滴吐出ヘッド及び画像記録装置によれば、駆動用の電気−機械変換素子の占有面積を減らすことなく、駆動効率を維持するとともに、検出用の機械−電気変換素子の検出感度を高くし、さらに、ヘッドを駆動している間においても、振動状態の検出が可能となる。

以下、添付した図面を参照して、本発明に係る液滴吐出ヘッド及び画像記録装置について詳細に説明する。

図１は、本発明に係る画像記録装置の一実施形態としてのインクジェット記録装置の全体構成図である。図１に示したように、このインクジェット記録装置１０は、インクの色毎に設けられた複数の印字ヘッド（液滴吐出ヘッド）１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙを有する印字部と、各印字ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙに供給するインクを貯蔵しておくインク貯蔵／装填部１４と、記録紙１６を供給する給紙部１８と、記録紙１６のカールを除去するデカール処理部２０と、前記印字部１２のノズル面（インク吐出面）に対向して配置され、記録紙１６の平面性を保持しながら記録紙１６を搬送する吸着ベルト搬送部２２と、印字部１２による印字結果を読み取る印字検出部２４と、印画済みの記録紙（プリント物）を外部に排紙する排紙部２６とを備えている。

図１では、給紙部１８の一例としてロール紙（連続用紙）のマガジンが示されているが、紙幅や紙質等が異なる複数のマガジンを併設してもよい。また、ロール紙のマガジンに代えて、又はこれと併用して、カット紙が積層装填されたカセットによって用紙を供給してもよい。

ロール紙を使用する装置構成の場合、図１のように、裁断用のカッター２８が設けられており、該カッター２８によってロール紙は所望のサイズにカットされる。カッター２８は、記録紙１６の搬送路幅以上の長さを有する固定刃２８Ａと、該固定刃２８Ａに沿って移動する丸刃２８Ｂとから構成されており、印字裏面側に固定刃２８Ａが設けられ、搬送路を挟んで印字面側に丸刃２８Ｂが配置されている。なお、カット紙を使用する場合には、カッター２８は不要である。

複数種類の記録紙を利用可能な構成にした場合、紙の種類情報を記録したバーコードあるいは無線タグ等の情報記録体をマガジンに取り付け、その情報記録体の情報を所定の読取装置によって読み取ることで、使用される用紙の種類を自動的に判別し、用紙の種類に応じて適切なインク吐出を実現するようにインク吐出制御を行うことが好ましい。

給紙部１８から送り出される記録紙１６はマガジンに装填されていたことによる巻き癖が残り、カールする。このカールを除去するために、デカール処理部２０においてマガジンの巻き癖方向と逆方向に加熱ドラム３０で記録紙１６に熱を与える。このとき、多少印字面が外側に弱いカールとなるように加熱温度を制御するとより好ましい。

デカール処理後、カットされた記録紙１６は、吸着ベルト搬送部２２へと送られる。吸着ベルト搬送部２２は、ローラー３１、３２間に無端状のベルト３３が巻き掛けられた構造を有し、少なくとも印字部１２のノズル面及び印字検出部２４のセンサ面に対向する部分が平面（フラット面）をなすように構成されている。

ベルト３３は、記録紙１６幅よりも広い幅寸法を有しており、ベルト面には多数の吸引孔（図示省略）が形成されている。図１に示したとおり、ローラー３１、３２間に掛け渡されたベルト３３の内側において印字部１２のノズル面及び印字検出部２４のセンサ面に対向する位置には吸着チャンバー３４が設けられており、この吸着チャンバー３４をファン３５で吸引して負圧にすることによってベルト３３上の記録紙１６が吸着保持される。

ベルト３３が巻かれているローラー３１、３２の少なくとも一方にモータ（図示省略）の動力が伝達されることにより、ベルト３３は図１において、時計回り方向に駆動され、ベルト３３上に保持された記録紙１６は、図１の左から右へと搬送される。

縁無しプリント等を印字するとベルト３３上にもインクが付着するので、ベルト３３の外側の所定位置（印字領域以外の適当な位置）にベルト清掃部３６が設けられている。ベルト清掃部３６の構成について詳細は図示しないが、例えば、ブラシ・ロール、吸水ロール等をニップする方式、清浄エアーを吹き掛けるエアーブロー方式、あるいはこれらの組み合わせなどがある。清掃用ロールをニップする方式の場合、ベルト線速度とローラー線速度を変えると清掃効果が大きい。

なお、吸着ベルト搬送部２２に代えて、ローラー・ニップ搬送機構を用いる態様も考えられるが、印字領域をローラー・ニップ搬送すると、印字直後に用紙の印字面にローラーが接触するので、画像が滲み易いという問題がある。したがって、本例のように、印字領域では画像面と接触させない吸着ベルト搬送が好ましい。

吸着ベルト搬送部２２により形成される用紙搬送路上において印字部１２の上流側には、加熱ファン４０が設けられている。加熱ファン４０は、印字前の記録紙１６に加熱空気を吹きつけ、記録紙１６を加熱する。印字直前に記録紙１６を加熱しておくことにより、インクが着弾後乾き易くなる。

印字部１２は、最大紙幅に対応する長さを有するライン型ヘッドを紙搬送方向と直交方向に配置した、いわゆるフルライン型のヘッドとなっている。各印字ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙは、本インクジェット記録装置１０が対象とする最大サイズの記録紙１６の少なくとも一辺を超える長さにわたってインク吐出口（ノズル）が複数配列されたライン型ヘッドで構成されている。

記録紙１６の搬送方向（紙搬送方向）に沿って上流側（図１の左側）から黒（Ｋ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）の順に各色インクに対応した印字ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙが配置されている。記録紙１６を搬送しつつ各印字ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙからそれぞれ色インクを吐出することにより記録紙１６上にカラー画像を形成し得る。

このように、紙幅の全域をカバーするフルラインヘッドがインク色毎に設けられてなる印字部１２によれば、紙搬送方向について記録紙１６と印字部１２を相対的に移動させる動作を一回行うだけで（すなわち、一回の走査で）記録紙１６の全面に画像を記録することができる。これにより、印字ヘッドが紙搬送方向と直交する方向に往復動作するシャトル型ヘッドに比べて高速印字が可能であり、生産性を向上させることができる。

なお、本例では、ＫＣＭＹの標準色（４色）の構成を例示したが、インク色や色数の組み合わせについては本実施形態には限定されず、必要に応じて淡インク、濃インクを追加してもよい。例えば、ライトシアン、ライトマゼンタ等のライト系インクを吐出する印字ヘッドを追加する構成も可能である。

図１に示したように、インク貯蔵／装填部１４は、各印字ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙに対応する色のインクを貯蔵するタンクを有し、各タンクは図示を省略した管路を介して各印字ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙと連通されている。また、インク貯蔵／装填部１４は、インク残量が少なくなるとその旨を報知する報知手段（表示手段、警告音発生手段等）を備えるとともに、色間の誤装填を防止するための機構を有している。

印字検出部２４は、印字部１２の打滴結果を撮像するためのイメージセンサ（ラインセンサ等）を含み、該イメージセンサによって読み取った打滴画像からノズルの目詰まりその他の吐出不良をチェックする手段として機能する。

本例の印字検出部２４は、少なくとも各印字ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙによるインク吐出幅（画像記録幅）よりも幅の広い受光素子列を有するラインセンサで構成される。このラインセンサは、赤（Ｒ）の色フィルタが設けられた光電変換素子（画素）がライン状に配列されたＲセンサ列と、緑（Ｇ）の色フィルタが設けられたＧセンサ列と、青（Ｂ）の色フィルタが設けられたＢセンサ列とからなる色分解ラインＣＣＤセンサで構成されている。なお、ラインセンサに代えて、受光素子が二次元配列されて成るエリアセンサを用いることも可能である。

印字検出部２４は、各色の印字ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙにより印字されたテストパターンを読み取り、各ヘッドの吐出検出を行う。吐出判定は、吐出の有無、ドットサイズの測定、ドット着弾位置の測定等で構成される。

印字検出部２４の後段には、後乾燥部４２が設けられている。後乾燥部４２は、印字された画像面を乾燥させる手段であり、例えば、加熱ファンが用いられる。印字後のインクが乾燥するまでは印字面と接触することは避けたほうが好ましいので、熱風を吹きつける方式が好ましい。

多孔質のペーパに染料系インクで印字した場合などでは、加圧によりペーパの孔を塞ぐことでオゾンなど、染料分子を壊す原因となるものと接触することを防ぐことで画像の耐候性がアップする効果がある。

後乾燥部４２の後段には、加熱・加圧部４４が設けられている。加熱・加圧部４４は、画像表面の光沢度を制御するための手段であり、画像面を加熱しながら所定の表面凹凸形状を有する加圧ローラー４５で加圧し、画像面に凹凸形状を転写する。

このようにして生成されたプリント物は、排紙部２６から排出される。本来プリントすべき本画像（目的の画像を印刷したもの）とテスト印字とは分けて排出することが好ましい。このインクジェット記録装置１０では、本画像のプリント物と、テスト印字のプリント物とを選別してそれぞれの排出部２６Ａ、２６Ｂへと送るために排紙経路を切り換える選別手段（図示省略）が設けられている。なお、大きめの用紙に本画像とテスト印字とを同時に並列に形成する場合は、カッター（第２のカッター）４８によってテスト印字の部分を切り離す。カッター４８は、排紙部２６の直前に設けられており、画像余白部にテスト印字を行った場合に、本画像とテスト印字部を切断するためのものである。カッター４８の構造は前述した第１のカッター２８と同様であり、固定刃４８Ａと丸刃４８Ｂとから構成されている。

また、図示を省略したが、本画像の排出部２６Ａには、オーダー別に画像を集積するソーターが設けられている。

次に、印字ヘッド（液滴吐出ヘッド）について説明する。インク色毎に設けられている各印字ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙの構造は共通しているので、以下、これらを代表して符号５０によって印字ヘッド（液滴吐出ヘッド）を表すものとし、図２に印字ヘッド５０の要部断面図を示す。

図２に示すように、本実施形態の印字ヘッド５０には、インクをインク滴として吐出するノズル５１に対応して、このノズル５１と連通し、インクを吐出するために加圧する圧力室５２が設けられている。圧力室５２は、図の上方から見た平面形状が概略正方形となっており、その対角線上の両隅部に当たる部分にノズル５１と（インク）供給口５４が設けられている。圧力室５２は、供給口５４を介して共通流路５５と連通されている。

圧力室５２の一面（図では天面）を構成している振動板（加圧板）５６の上部には、圧電素子（アクチュエータ）５８が形成されている。圧電素子５８は、振動板５６を駆動するための駆動用の電気−機械変換素子６０と、圧力室５２内の振動状態を検出するための検出用の機械−電気変換素子６２とが層構造をなして構成されている。

このように構成された印字ヘッド５０においては、振動板５６上に形成された駆動用の電気−機械変換素子６０に駆動電圧を印加することによって、電気−機械変換素子６０が変形して、圧力室５２の容積が減少し、ノズル５１から、インクがインク滴として吐出される。インクが吐出されると、共通流路５５から供給口５４を通って、新しいインクが圧力室５２に供給されるようになっている。

このように、本実施形態の印字ヘッド（液滴吐出ヘッド）は、駆動用及び検出用の圧電素子を層構造とすることにより、駆動用の圧電素子（電気−機械変換素子）の振動板上における占有面積を減らすことなく、駆動効率を維持するとともに、検出用の機械−電気変換素子の検出感度を高くし、さらに、ヘッドを駆動している間においても、振動状態の検出を可能とするものである。

以下、圧電素子の層構造についてさらに詳しく説明する。図３に、駆動用の圧電素子である電気−機械変換素子１層上に、検出用の圧電素子である機械−電気変換素子１層を重ねた例を示す。図３は、振動板より上の部分のみを示したものであり、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）はそのIIIb−IIIb線に沿った断面図である。

図３（ａ）、（ｂ）に示すように、この例では、振動板５６上に、下層として駆動用の電気−機械変換素子７０が、上層として検出用の機械−電気変換素子７２が、それぞれ１層ずつ積層されている。下層の電気−機械変換素子７０と振動板５６との間には下部電極として電気−機械変換素子電極７３が設けられ、電気−機械変換素子７０と機械−電気変換素子７２との間には、共通電極７４が設けられ、さらに、機械−電気変換素子７２の上側には上部電極として機械−電気変換素子電極７５が設けられている。また、下層の電気−機械変換素子７０には、スルーホール７０ａが設けられ、スルーホール７０ａ内に導電体を充填させて外部への配線７１と接続するようになっている。

共通電極７４と電気−機械変換素子電極７３とで電気−機械変換素子７０を挟み、また、機械−電気変換素子電極７５と共通電極７４とで機械−電気変換素子７２を挟み、それぞれコンデンサを構成するようになっている。

共通電極７４と電気−機械変換素子電極７３との間に電圧を印加することで、電気−機械変換素子７０を変形させ、インク滴を吐出させることができる。また、機械−電気変換素子７２の変形によって発生する電荷を電気−機械変換素子電極７５から取り出して振動状態の検出を行うことができる。

ここで、電気−機械変換素子７０及び機械−電気変換素子７２は同一素材でもよいが、下層の駆動用の圧電素子としては、少しの電気で大きく動くような、電気から機械への変換効率（駆動効率）の良いものを、また、上層の検出用の圧電素子としては、少しの変位で大きな電気が発生するような、機械から電気への変換効率（センサ効率）の良いものを用いて、接合するようにしてもよい。例えば、通称ＰＺＴと呼ばれるチタン酸ジルコン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ・Ｔｉ）Ｏ₃ は、強誘電体のチタン酸鉛ＰｂＴｉＯ₃ と反強誘電体のジルコン酸鉛ＰｂＺｒＯ₃ が基本組成である。この２成分の混合比を変えることによって圧電・誘電・弾性などの諸特性をコントロールできるため、それぞれ変換効率のより良い圧電セラミック材料を得て用いることができる。別素材の圧電素子を接合しても良く、検出用に用いるセンサ効率の良いものとしては、ポリフッ化ビニリデンが例示される。

また、上に示した例では、下層が駆動用の圧電素子、上層が検出用の圧電素子となるような層構成としたが、層構成はこのような配置に限定されるものではなく、用いられる圧電素子の性質によっては、この層構成を逆にすることも可能である。

次に、図４に、駆動用及び検出用の圧電素子をそれぞれ振動板上に複数層積層した例を示す。図４（ａ）は、平面図、図４（ｂ）は、そのIVb −IVb 線に沿った断面図、図４（ｃ）は、そのIVc −IVc 線に沿った断面図である。

図４（ｂ）、（ｃ）に示すように、この例では、振動板５６上に、駆動用の電気−機械変換素子８０の層が６層の圧電シート（グリーンシート）で形成され、その上に検出用の機械−電気変換素子８２が４層の圧電シート（グリーンシート）で形成されている。そして、電気−機械変換素子８０を構成する各層は、それぞれ電気−機械変換素子電極（駆動電極）８１と共通電極８３とで上下を挟まれており、また、機械−電気変換素子８２を構成する各層は、それぞれ機械−電気変換素子電極（駆動電極）８５と共通電極８３とで上下を挟まれて、それぞれコンデンサを形成するようになっている。

また、各層には、図に示すようなスルーホール８４、８６、８８が形成され、それぞれ導電体が充填され、各電極への配線が形成されている。すなわち、図４（ｃ）に示すように、スルーホール８４により共通電極８３への配線が形成され、また、図４（ｂ）に示すように、スルーホール８６により電気−機械変換素子電極８１への配線が形成され、さらにスルーホール８８により機械−電気変換素子電極８５への配線が形成される。

また、図示は省略するが、上面には、電気−機械変換素子電極８１及び機械−電気変換素子電極８５に対する共通電極８３があり、これからフレキシブルケーブル（flexible cable) 基板などの配線板へ接合されている。このように、駆動用と検出用の圧電素子をグリーンシートを積層した層構造で形成し、層間電極を接続して電気−機械変換素子８０及び機械−電気変換素子８２を構成することができる。

この例においても、振動板５６上に形成する圧電素子層の下層を駆動用の電気−機械変換素子８０とし、上層を検出用の機械−電気変換素子８２としているが、この上下層の配置はこれに限定されるものではなく、逆にしてもよい。さらに、それぞれ複数層存在する場合には、駆動用と検出用の素子を１層ずつ交互に配置するようにしてもよい。

図５に駆動時の様子を示す。図５（ａ）は、駆動用の電気−機械変換素子８０に電圧０［Ｖ］を印加した状態を示し、図５（ｂ）は、駆動用の電気−機械変換素子８０に電圧Ｅ［Ｖ］を印加した状態を示す。図５（ｂ）に示すように、電圧Ｅ［Ｖ］を印加することにより、電気−機械変換素子８０が図の上下方向に伸び、振動板５６が押圧され下方へ変形し、圧力室５２の容積が減少してノズル５１からインクが吐出される。

一方、検出用の機械−電気変換素子８２は、圧力室５２内のインクあるいは空気等の振動による振動板５６の変形を検知する。すなわち、この圧力室５２内の振動による振動板５６の変形に対応して、機械−電気変換素子８２に電荷が発生し、この電荷を取り出すことにより、振動板５６の変形を通じて圧力室５２内の振動状態を検出することができる。

図６に、その検出信号の様子を示す。図６（ａ）は、駆動用の電気−機械変換素子８０に入力される電気信号すなわち電圧の波形である。図６（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は各振動状態に対応した振動板５６の変位Δｘを表している。

図６（ｂ）は、圧力室５２、ノズル５１及び共通液路５５等にインクが充満し、空気が混入していない正常時の変位を示している。図６（ｃ）は、供給側が詰まる等して圧力室５２等にインクが充填されておらず空気だけの場合の変位を示している。また、図６（ｄ）は、圧力室５２にインクはあるが空気が混入している場合の変位を示している。図６（ｄ）の場合は、混入した空気によって発生した気泡がダンパーの役割をして振動を吸収してしまい、加えた圧力がインクに正確に伝わらず正常にインクを吐出させることができない。

図７（ａ）に、この検出信号を受けて、振動状態を検出するための回路構成を示す。

以下、図７（ａ）により、機械−電気変換素子８２で検出した信号の処理の流れを説明する。図７（ａ）に示すように、印字ヘッド５０を駆動する場合には、ＣＰＵあるいはＤＳＰ等のプロセッサ９０により、信号発生器９１より、電気−機械変換素子８０を駆動する信号を発生する。この駆動信号により、駆動回路９２を通じて電気−機械変換素子８０を駆動する。前述したように、駆動信号に応じた印加電圧により電気−機械変換素子８０が変形し、振動板５６が変位し、圧力室５２の容積が減少させられ、インクがノズル５１から吐出させられる。

一方、圧力室５２の状態により、振動板５６が振動し、機械−電気変換素子８２に電荷が発生する。この発生した電荷を、信号変換回路９３により、電圧に変換し、Ａ／Ｄ（アナログ／デジタル）変換のレベルまで増幅する。

なお、機械−電気変換素子８２の信号には商用電源周波数（５０Ｈｚ、６０Ｈｚ）相当の雑音等低周波の雑音があるため、信号変換回路９３には、ＨＰＦ（ハイパスフィルタ）が構成されている。また、Ａ／Ｄ変換前にアンチエイリアシング用ＬＰＦ（ローパスフィルタ）９４により、ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）を通して、Ａ／Ｄ変換を行うようにしている。

信号変換回路９３においては、機械−電気変換素子８２から入力された電荷量Ｑを、コンデンサの容量Ｃf で割ったものが電圧Ｖout として出力される。すなわち、Ｖout ＝−Ｑ／Ｃｆである。また、ＨＰＦのカット周波数ｆc は、図の信号変換回路９３においては、ｆc ＝ １／（２πＲＣf ）となる。

Ａ／Ｄ変換器９５で、Ａ／Ｄ変換されたデータは、メモリ９６等に記憶され、ＣＰＵあるいは、ＤＳＰ等のプロセッサ９０によってデータ解析され、正常吐出であるか、また異常である場合どのような状況であるのかが判断される。

また、上に述べた例では、機械−電気変換素子８２から電荷を取り出しているが、電圧として取り出し電圧増幅するようにしてもよい。また、上では、１素子について説明したが、全素子について同時、または、アナログマルチプレクサ等の切り換え回路で切り換えて素子毎に検出するようにしてもよい。

なお、各素子や各ヘッドあるいは各ノズル毎にばらつきがあるため、振動周期や減衰周期等のノズル毎のデータをパラメータ化してＲＯＭ９７に記憶しておくことが好ましい。さらに、このＲＯＭ９７をヘッドユニットに搭載するようにしてもよい。

このように、本実施形態によれば、駆動用と検出用の圧電素子を層構造としたため、それぞれ振動板の全面に配置することができ、とくに電気−機械変換素子の占有面積を減らすことなく、また機械−電気変換素子の振動検出感度を高くし、さらに、ヘッドを駆動している間においても検出が可能となった。

このようにして、異常が検出された場合には、その検出された状態に応じた回復処理を行うことができる。

このとき、例えば、図７（ｂ）に示すように、検出用の機械−電気変換素子を駆動用に切り換える回路切換部９８を備えて、回復動作を行うときには、検出用の機械−電気変換素子８２を駆動用の電気−機械変換素子８０に切り換えて、駆動用として用いるようにすると、駆動源が増えるため、ノズルの目詰まり解消のための予備吐出を容易に行うことが可能となる。

また、本実施形態のように圧電素子を層構造にする場合の製造時におけるメリットを従来と比較して図８に示す。図８（ａ）は、従来の場合であり、図８（ｂ）は、本実施形態の場合である。

従来は、図８（ａ）に示すように、圧力室の上面の振動板１５６上に駆動用の電気−機械変換素子１８０と検出用の機械−電気変換素子１８２をそれぞれ別素材で製造する場合、１シートに複数の素子を製造することができず、各素子を振動板１５６上の所定の位置に精度よく貼り付けることが必要となる。従って、従来の場合では、各素子の貼り付け作業において、各素子の貼り付け位置にばらつきが生じてしまう。

これに対し、図８（ｂ）に示す本実施形態の場合では、駆動用の電気−機械変換素子８０と検出用の機械−電気変換素子８２を別素材で製造する場合でも、１シートに複数の素子を製造し、このシートを振動板５６に精度良く貼り付けることが可能である。従って、本実施形態のように層構造とする場合には、シート１枚の貼り付け作業で、各素子の貼り付け位置ばらつきは均一とすることができる。

なお、駆動用の圧電素子と検出用の圧電素子を同一素材で製造する場合には、従来の場合においても１シートに複数の素子を製造し、シートを振動板へ精度良く貼り付けることができ、本実施形態と同様である。しかし、従来は振動板上に駆動用と検出用の圧電素子を並べて配置するため、駆動用圧電素子の占有面積が少なくなってしまい、駆動効率が悪くなる等の問題があり、同一素材で製造する場合においても、製造以外の点では、本実施形態の方がはるかに優れた効果を有している。

また、以上説明した例では、全て圧電素子の積層方向は振動板に並行な方向であったが、図９に示すように、駆動用の電気−機械変換素子１００及び検出用の機械−電気変換素子１０２をそれぞれ振動板５６に対して垂直となるように積層するようにしてもよい。

図１０に、本実施形態のインクジェット記録装置１０のシステム構成を示す。図１０に示すように、インクジェット記録装置１０は、通信インターフェース１７０、システムコントローラ１７２、メモリ１７４、モータドライバ１７６、ヒータドライバ１７８、プリント制御部１８０、画像バッファメモリ１８２、ヘッドドライバ１８４等を備えている。

通信インターフェース１７０は、ホストコンピュータ１８６から送られてくる画像データを受信するインターフェース部である。通信インターフェース１７０にはＵＳＢ、ＩＥＥＥ１３９４、イーサネット、無線ネットワークなどのシリアルインターフェースやセントロニクスなどのパラレルインターフェースを適用することができる。この部分には、通信を高速化するためのバッファメモリ（図示省略）を搭載してもよい。ホストコンピュータ１８６から送出された画像データは通信インターフェース１７０を介してインクジェット記録装置１０に取り込まれ、一旦メモリ１７４に記憶される。メモリ１７４は、通信インターフェース１７０を介して入力された画像を一旦格納する記憶手段であり、システムコントローラ１７２を通じてデータの読み書きが行われる。メモリ１７４は、半導体素子からなるメモリに限らず、ハードディスクなど磁気媒体を用いてもよい。

システムコントローラ１７２は、プログラム格納部１９０に格納された制御プログラムに従って、通信インターフェース１７０、メモリ１７４、モータドライバ１７６、ヒータドライバ１７８等の各部を制御する制御部である。システムコントローラ１７２は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）及びその周辺回路等から構成され、ホストコンピュータ１８６との間の通信制御、メモリ１７４の読み書き制御等を行うとともに、搬送系のモータ１８８やヒータ１８９を制御する制御信号を生成する。

モータドライバ１７６は、システムコントローラ１７２からの指示にしたがってモータ１８８を駆動するドライバ（駆動回路）である。ヒータドライバ１７８は、システムコントローラ１７２からの指示にしたがって後乾燥部４２等のヒータ１８９を駆動するドライバである。

プリント制御部１８０は、システムコントローラ１７２の制御に従い、メモリ１７４内の画像データから印字制御用の信号を生成するための各種加工、補正などの処理を行う信号処理機能を有し、生成した印字制御信号（印字データ）をヘッドドライバ１８４に供給する制御部である。プリント制御部１８０において所要の信号処理が施され、該画像データに基づいてヘッドドライバ１８４を介して印字ヘッド５０のインク液滴の吐出量や吐出タイミングの制御が行われる。これにより、所望のドットサイズやドット配置が実現される。

プリント制御部１８０には画像バッファメモリ１８２が備えられており、プリント制御部１８０における画像データ処理時に画像データやパラメータなどのデータが画像バッファメモリ１８２に一時的に格納される。なお、図１０において画像バッファメモリ１８２はプリント制御部１８０に付随する態様で示されているが、メモリ１７４と兼用することも可能である。また、プリント制御部１８０とシステムコントローラ１７２とを統合して一つのプロセッサで構成する態様も可能である。

ヘッドドライバ１８４はプリント制御部１８０から与えられる印字データに基づいて各色の印字ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙの圧電素子（アクチュエータ）５８を駆動する。ヘッドドライバ１８４にはヘッドの駆動条件を一定に保つためのフィードバック制御系を含んでもよい。

また、プリント制御部１８０は、回復動作制御部１９４を備え、印字検出部２４の検出結果に応じて、あるいは機械−電気変換素子８２によって検出された波形から圧力室５２内の状況を判別し、その判別結果に応じてメンテナンス部１９６を制御してノズルの回復動作を行うようにする。また、これらのノズルについての回復動作等の履歴はノズル管理メモリ１９２に記憶され、管理される。

以上、本発明の液滴吐出ヘッド及び画像記録装置について詳細に説明したが、本発明は、以上の例には限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはもちろんである。

本発明に係る画像形成装置の一実施形態としてのインクジェット記録装置の全体構成図である。 印字ヘッドの要部を示す断面図である。 電気−機械変換素子と機械−電気変換素子を各１層で構成した例を示す説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はIIIb−IIIb線に沿った断面図である。 電気−機械変換素子と機械−電気変換素子を各多層で構成した例を示す説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はIVb −IVb 線に沿った断面図であり、（ｃ）はIVc −IVc 線に沿った断面図である。 印字ヘッドを駆動した様子を示す説明図であり、（ａ）は電圧０を印加した状態を示す断面図、（ｂ）は電圧Ｅを印加した状態を示す断面図である。 印字ヘッドを駆動した時の圧力室の状態による振動板の変位の様子を示す説明図であり、（ａ）は駆動電圧波形、（ｂ）は正常吐出時の検出波形、（ｃ）はインク未充填時の検出波形、（ｄ）はインク中に気泡が存在する場合の検出波形を示す線図である。 振動状態を検出するための回路構成を示すブロック図である。 振動状態を検出するための他の回路構成を示すブロック図である。 圧電素子製造時の様子を示す説明図であり、（ａ）は従来の様子を示す断面図であり、（ｂ）は本実施形態の様子を示す断面図である。 圧電素子の他の積層方法を示す断面図である。 本実施形態に係るインクジェット記録装置のシステム構成の概略を示すブロック図である。

符号の説明

１０…インクジェット記録装置（画像記録装置）、１２…印字部、１４…インク貯蔵／装填部、１６…記録紙、１８…給紙部、２０…デカール部、２２…吸着ベルト搬送部、２４…印字検出部、２６…排紙部、２８…カッター、３０…加熱ドラム、３１、３２…ローラー、３３…ベルト、３４…吸着チャンバー、３５…ファン、３６…ベルト清掃部、４０…加熱ファン、４２…後乾燥部、４４…加熱・加圧部、４５…加圧ローラー、４８…カッター、５０…印字ヘッド、５１…ノズル、５２…圧力室、５４…供給口、５５…共通流路、５６…振動板、５８…圧電素子、６０、７０、８０…電気−機械変換素子、６２、７２、８２…機械−電気変換素子、７３、８１…電気−機械変換素子電極、７４、８３…共通電極、７５、８５…機械−電気変換素子電極、８４、８６、８８…スルーホール、９０…プロセッサ、９１…信号発生器、９２…駆動回路、９３…信号変換回路、９４…ＬＰＦ、９５…Ａ／Ｄ変換器、９６…メモリ、９７…ＲＯＭ、９８…回路切換部、１９４…回復動作制御部

Claims (7)

1. 液滴を吐出するノズルが設けられた圧力室の一面を形成する振動板を駆動する電気−機械変換素子を歪ませて前記圧力室を圧縮し前記ノズルから液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドであって、
   前記振動板上に、前記振動板駆動用の電気−機械変換素子と、前記圧力室内の振動状態を検出する検出用の機械−電気変換素子とが、層構造をなして配置されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
2. 前記層構造は、前記振動板駆動用の電気−機械変換素子と前記検出用の機械−電気変換素子が、それぞれ１層以上積層された２層以上の層構造をなしていることを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出ヘッド。
3. 前記振動板駆動用の電気−機械変換素子及び前記検出用の機械−電気変換素子は、同一素材であることを特徴とする請求項１または２に記載の液滴吐出ヘッド。
4. 前記振動板駆動用の電気−機械変換素子及び前記検出用の機械−電気変換素子は、別素材であることを特徴とする請求項１または２に記載の液滴吐出ヘッド。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の液滴吐出ヘッドであって、さらに、前記検出用の機械−電気変換素子を前記振動板駆動用の電気−機械変換素子に流用するための回路切り換え手段を備えたことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の液滴吐出ヘッドであって、さらに、前記検出用の機械−電気変換素子によって検出された波形から前記圧力室内の状況を判別する判別手段を備え、該判別結果に応じた回復動作を行うことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の液滴吐出ヘッドを備えたことを特徴とする画像記録装置。

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