JP2007152666A

JP2007152666A - 液滴観測装置

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Publication number: JP2007152666A
Application number: JP2005349236A
Authority: JP
Inventors: Kazukado Miyoshi; 一門三好
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2005-12-02
Filing date: 2005-12-02
Publication date: 2007-06-21

Abstract

【課題】液体噴射ヘッドから吐出される微小な液滴をより鮮明に撮像することが可能な液滴観測装置を提供する。
【解決手段】液滴観測装置１は、駆動信号を発生する駆動信号発生回路３７を有し、当該駆動信号発生回路からの駆動信号中の吐出パルスを圧電振動子に供給することにより記録ヘッド２によるインク滴の吐出を制御する制御部３と、ＬＥＤ４を発光させることにより、記録ヘッドのノズル開口から吐出されたインク滴の飛翔領域Ａに対して光を照射する発光部５と、この発光部とは飛翔領域を挟んで反対側に対向配置され、発光部を光源として飛翔領域を飛翔中のインク滴を撮像する撮像部６とを備える。制御部は、記録ヘッドによるインク滴の吐出と発光部による発光とを同期させ、尚且つ、発光周波数を、発光部の設計上の最大駆動周波数を上限とする範囲内で吐出動作と同期可能な最大値に設定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、インクジェット式記録ヘッド等の液体噴射ヘッドから吐出される液滴を観測する液滴観測装置に関する。

圧力室内の液体をノズル開口から液滴として吐出させる液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンタ等の画像記録装置に用いられるインクジェット式記録ヘッド、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレー、ＦＥＤ（面発光ディスプレー）等の電極形成に用いられる電極材噴射ヘッド、バイオチップ（生物化学素子）の製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等がある。

この種の液体噴射ヘッドは、極く微小な液滴を、記録紙等の吐出対象物における所望の位置に精度良く着弾させることが求められる。このため、液体噴射ヘッドの製造工程においては、液体噴射ヘッドから液滴を吐出して飛翔中の液滴をカメラによって撮像し、撮像した画像に基づいてノズル開口の目詰まりの有無、飛翔方向、飛翔速度、液量等の検査が行われる。例えば、特許文献１に開示されている微小液滴観察装置では、液体噴射ヘッドから吐出される液滴の飛翔領域を間に挟んで対向する状態でストロボ発光部とＣＣＤカメラを配置し、ストロボの発光周期と液滴の吐出周期を同期させつつ飛翔中の液滴をＣＣＤカメラによって撮像するように構成されている。

特開２００１−２３９７４４号公報（第９頁、図１）

ところで、上記ストロボの光源としては、例えば、電気入力の変化に対する追従性が優れ、比較的高い周波数での点滅動作が可能なキセノン管が好適に用いられていた。しかしながら、キセノン管では輝度を一定にすることが難しく、例えば、輝度が高すぎる場合には、数ｐｌのように非常に微小な液滴を鮮明に撮像することができないという問題があった。また、キセノン管を発光させる際には、パルス始動器を用いて数十ｋＶの高電圧に設定された駆動パルスで駆動する必要があるため、液滴をより高い周波数で吐出する場合、キセノン管の発光時の高周波駆動パルスを起因とする輻射ノイズによって液体噴射ヘッドの駆動回路に誤動作が生じるという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、液体噴射ヘッドから吐出される微小な液滴をより鮮明に撮像することが可能な液滴観測装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の液滴観測装置は、ノズル開口に連通する圧力室と、当該圧力室内に導入された液体に圧力変動を生じさせる圧力発生手段とを有する液体噴射ヘッドのノズル開口から吐出される液滴を観測する液滴観測装置であって、
前記圧力発生手段を駆動するための駆動信号を発生する駆動信号発生回路を有し、当該駆動信号発生回路からの駆動信号を圧力発生手段に供給することにより、液体噴射ヘッドによる液滴の吐出を制御する制御部と、
固体発光素子を有し、当該固体発光素子を発光させることにより、前記液体噴射ヘッドのノズル開口から吐出された液滴の飛翔領域に対して光を照射する発光部と、
前記発光部とは液滴の飛翔領域を挟んで反対側に対向配置され、当該飛翔領域を飛翔中の液滴を多重露光で撮像する撮像部と、を備え、
前記制御部は、液体噴射ヘッドによる液滴の吐出と発光部による固体発光素子の発光とを同期させ、尚且つ、発光周波数を、発光部の設計上の最大駆動周波数を上限とする範囲内で液滴の吐出と同期可能な最大値に設定することを特徴とする。

上記構成によれば、より低電圧での駆動が可能な固体発光素子を発光源として使用するので、不要な輻射ノイズを抑えて駆動回路の誤動作を防止することができる。また、液体噴射ヘッドによる液滴の吐出と発光部による固体発光素子の発光とを同期させ、尚且つ、発光周波数を、発光部の設計上の最大駆動周波数を上限とする範囲内で液滴の吐出と同期可能な最大値に設定するので、液滴の吐出と発光部の発光とを同期させつつも、固体発光素子を可及的に高い輝度で発光させることが可能となる。これにより、撮像部によって微小な液滴をより鮮明に撮像することができ、その結果、より高精度に液滴の観測を行うことが可能となる。

上記構成において、液滴の吐出間隔をＴ、１回の発光に対する吐出回数をＮとしたとき、固体発光素子の発光周波数Ｆを、以下の式（１）
Ｆ＝１／（Ｔ×Ｎ）…（１）
に基づいて設定することが望ましい。

また、上記構成において、前記固体発光素子として、発光ダイオードを採用することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、添付図面を参照して説明する。なお、以下に述べる実施の形態では、本発明の好適な具体例として種々の限定がされているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。

図１は、本発明を適用した液滴観測装置の構成を説明する模式図である。同図に示すように、本実施形態における液滴観測装置１は、液体噴射ヘッドの一種であるインクジェット式記録ヘッド（以下、単に記録ヘッドという）２を観測対象としている。この記録ヘッド２は、液体状のインクを液滴の状態で吐出させ、記録紙等の吐出対象物に文字や画像を記録するインクジェット式プリンタ（画像記録装置）に搭載されるものである。液滴観測装置１は、装置全体の統括的な制御を行う制御部３と、発光源として固体発光素子の一種である発光ダイオード、即ち、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）４を有する発光部５と、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）カメラから成る撮像部６と、ＬＣＤ（Liquid Crystal
Display）又はＣＲＴ（Cathode-Ray Tube）等から成る表示装置７とを備えて概略構成されている。

ここで、液滴観測装置１の各部の説明の前に、観測対象の記録ヘッド２の構造について、図２を用いて説明する。例示した記録ヘッド２は、複数の圧電振動子１０、その固定板１１、及び、フレキシブルケーブル１２等をユニット化したアクチュエータユニット１３と、このアクチュエータユニット１３を内部に収容するヘッドケース１４と、ヘッドケース１４の先端面に接合される流路ユニット１５を備えている。ヘッドケース１４は、アクチュエータユニット１３を収容するための収容室１６を内部に形成した合成樹脂製のブロック状部材である。この収容室１６は、ヘッドケース１４の高さ方向を貫通する空部であり、収容されるアクチュエータユニット１３の数と同じ数だけ個別に形成されている。そして、アクチュエータユニット１３は、圧電振動子１０の先端面を収容室１６の流路ユニット接合面側の開口に臨ませた状態で収納され、固定板１１が収容室１６を区画するケース内壁面に接着されている。

本実施形態の圧電振動子１０（圧力発生素子の一種）は、圧電体と内部電極とを交互に積層して構成された積層型の圧電振動子であり、数十μｍ程度の極めて細い幅の櫛歯状に切り分けられている。この圧電振動子１０は、圧電体と内部電極との間の電位差に応じ、電界方向と直交する方向に伸縮する。そして、各圧電振動子１０は、所謂片持ち梁の状態で固定板１１上に取り付けられている。即ち、各圧電振動子１０の基端側部分を固定板１１上に接合することで、自由端部分を固定板１１の縁よりも外側に突出させている。そして、各圧電振動子１０の先端面は、後述する流路ユニット１５の島部３１に接合されている。また、フレキシブルケーブル１２は、固定板１１とは反対側となる基端側部分の表面で各圧電振動子１０と電気的に接続されている。

流路ユニット１５は、流路基板１８を間に挟んでノズル基板１９を流路基板１８の一方の表面に配置し、振動板２０をノズル基板１９とは反対側となる他方の表面に配置して接着することで構成されている。流路ユニット１５におけるノズル基板１９は、ドット形成密度に対応したピッチで複数のノズル開口２１を列状に開設したステンレス鋼製の薄い板材である。本実施形態では、例えば１８０ｄｐｉのピッチで１８０個のノズル開口２１が列状に開設され、これらのノズル開口２１によってノズル列を構成している。

上記の流路基板１８は、ノズル基板１９の各ノズル開口２１と同一ピッチで圧力室２２となる空部及びインク供給口２３となる溝部を複数形成すると共に、共通インク室２４となる空部を形成した板状の部材である。上記の圧力室２２は、ノズル開口２１の列設方向（ノズル列方向）に対して直交する方向に細長い室として形成されている。インク供給口２３は、共通インク室２４と圧力室２２との間を連通する流路幅の狭い溝である。また、圧力室２２内におけるインク供給口２３とは反対側の端部領域には、ノズル開口２１と圧力室２２とを連通するためのノズル連通口２５が、板厚方向に貫通させた状態で設けられている。

振動板２０は、ステンレス鋼等の金属製の支持板２６の表面にＰＰＳ樹脂等の弾性フィルムから成る弾性体膜２７を積層した二重構造である。そして、この振動板２０には、圧力室２２の一方の開口面を封止するダイヤフラム部２８が設けられると共に、共通インク室２４の一方の開口面を封止するコンプライアンス部２９が設けられている。そして、ダイヤフラム部２８は、圧力室２２に対応した部分の支持板２６を環状にエッチング加工することで作製され、弾性体膜２７のみの弾性部３０と圧電振動子１０が接合される島部３１とが設けられている。また、コンプライアンス部２９は、共通インク室２４に対応する部分の支持板２６をエッチング加工で除去し、弾性体膜２７のみとしている。

上記構成の記録ヘッド２では、図示しないインクカートリッジ（液体貯留部材の一種）からのインクが共通インク室２４に一旦導入された後、この共通インク室２４から各圧力室２２にインクが分配供給される。そして、後述する吐出タイミングパルスをトリガとして駆動信号中の吐出パルスを圧電振動子１０に供給すると、この圧電振動子１０は素子長手方向に伸縮変形し、これに伴って島部３１が圧力室２２から離隔する方向又は圧力室２２に近接する方向に変位し、この島部３１の変位によって圧力室２２の容積が変化する。これにより圧力室２２内のインクに圧力変動が生じ、この圧力変動を圧電振動子１０の伸縮によって制御することでノズル開口２１からインク滴（即ち、液滴の一種）が吐出される。

次に、液滴観測装置１の制御部３について説明する。本実施形態における制御部３は、ＲＯＭ３３に記憶された制御プログラム等に従って各部を制御するＣＰＵ３４と、各種データ処理のための制御プログラム等を記憶したＲＯＭ３３と、各種データ等を記憶するＲＡＭ３５と、撮像部６によって撮像された画像等を表示装置７に表示させる表示制御部３６と、記録ヘッド２の圧電振動子１０を駆動するための駆動信号を発生する駆動信号発生回路３７と、基準クロックパルス信号を発生する発振回路３８と、発振回路３８が発生する基準クロックパルス信号を分周する分周回路３９と、接続機器（記録ヘッド２、発光部５、及び撮像部６）とのデータの入出力を行うインタフェース（Ｉ／Ｆ）部３６とを相互に接続した状態で備えている。この制御部３は、記録ヘッド２によるインク滴の吐出動作、発光部５による発光動作、及び撮像部６による撮像動作を統括的に制御する。

駆動信号発生回路３７は、記録ヘッド２の圧電振動子１０に供給する吐出パルスの電圧値の変化量を示すデータと吐出パルスの電圧を変化させるタイミングを規定するタイミング信号とが入力され、これらのデータ及びタイミング信号に基づいて、例えば、図３に示すような吐出パルスＤＰを含む駆動信号を発生する。図３に例示した吐出パルスＤＰは、基準電位（中間電位）ＶＭから最高電位ＶＨまで比較的穏やかな勾配で電位を上昇させる第１充電要素ＰＥ１と、最高電位ＶＨを一定の時間維持する第１ホールド要素ＰＥ２と、最高電位ＶＨから最低電位ＶＬまで急峻な勾配で電位を降下させる放電要素ＰＥ３と、最低電位ＶＬを短い時間維持する第２ホールド要素ＰＥ４と、最低電位ＶＬから基準電位ＶＭまで電位を復帰させる第２充電要素ＰＥ５とにより構成されている。

上記吐出パルスＤＰを圧電振動子１０に印加すると、次のようにしてインク滴が吐出される。即ち、第１充電要素ＰＥ１が供給されると、圧電振動子１０が収縮して圧力室２２が膨張する。この圧力室２２の膨張状態が極く短い間維持された後、放電要素ＰＥ３が印加されて圧電振動子１０が急激に伸長する。これに伴って、圧力室２２の容積が基準容積（圧電振動子１０に基準電位ＶＭを印加したときの圧力室２２の容積）以下に収縮し、ノズル開口２１に露出したメニスカスが外側に向けて急激に加圧される。これにより、所定の液量のインク滴がノズル開口２１から吐出される。その後、第２ホールド要素ＰＥ４、及び、第２充電要素ＰＥ５が圧電振動子１０に順次供給され、インク滴の吐出に伴うメニスカスの振動を短時間で収束させるべく、圧力室２２が基準容積に復帰する。

制御部３における発振回路３８は、各部の制御タイミングの基準となる基準クロックパルスを発生する。この基準クロックパルスは、例えば、数ＭＨｚ〜数百ＭＨｚ程度の周波数に設定されている。分周回路３９は、この発振回路３８が出力する基準クロックパルスを分周することにより、各部の制御に応じた周波数のタイミングパルスを出力する。例えば、分周回路３９は、基準クロックパルスを分周して数ｋＨｚ〜数百ｋＨｚのパルスを生成し、圧電振動子１０への駆動信号（吐出パルスＤＰ）の供給のタイミングを規定する吐出タイミングパルスとして記録ヘッド２に出力する。また、分周回路３９は、基準クロックパルスを分周して数百Ｈｚ〜数ｋＨｚのパルスを生成し、これを発光部５によるＬＥＤ４の発光タイミングを規定する発光タイミングパルスとして発光部５に出力する。本液滴観測装置１では、吐出タイミングパルスを用いて記録ヘッド２の吐出動作を制御すると共に、発光タイミングパルスを用いて発光部５によるＬＥＤ４の発光を制御することにより、記録ヘッド２による吐出動作（吐出周期）と発光部５による発光動作（発光周期）を同期させることができるようになっている。

上記発光部５は、撮像部６による撮像時の光源となるＬＥＤ４を備え、記録ヘッド２のノズル開口２１から吐出されるインク滴の飛翔領域Ａに対してＬＥＤ４の光軸Ｌを向ける状態で配置されている。この発光部５は、制御部３からの発光タイミングパルスが入力され、この発光タイミングパルスをトリガとしてＬＥＤ４を発光させるように構成されている。即ち、発光部５は、発光タイミングパルスによって規定される発光周波数で記録ヘッド２の吐出動作と同期してＬＥＤ４を発光させるようになっている。ＬＥＤに代表される固体発光素子は、キセノン管を発光源として用いる場合と比較して低電圧で駆動することができるので、高周波での発光時に不要な輻射ノイズが発生し難く、輻射ノイズに起因する駆動回路の誤動作などを防止することができる。なお、この発光部５は、ＬＥＤ４を一定以上の光量で発光させるために、設計上の最大駆動周波数が定められている。この最大駆動周波数は、例えば、数ｋＨｚであり、これよりも高い周波数での発光駆動は、発光部５の駆動回路が追従できずＬＥＤ４の光量が十分に得られない。

上記撮像部６は、対物レンズ４２やＣＣＤ撮像素子４３を有するＣＣＤカメラにより構成され、発光部５の光軸Ｌ上においてこの発光部５とは飛翔領域Ａを挟んで反対側に、対物レンズ４２を飛翔領域Ａ側に向けた状態で対向配置されている。この撮像部６は、より微小なインク滴の撮像に対応するため、例えば、ＸＧＡ（１０２４×７６８画素）やＳＸＧＡ（１２８０×１０２４画素）サイズの比較的高解像度のＣＣＤ撮像素子４３を採用している。そして、この撮像部６は、制御部３による制御の下、発光部５を光源として、飛翔領域Ａを飛翔中のインク滴を多重露光で撮像する。この撮像部６によって撮像された画像データは、制御部３に出力される。

上記構成の液滴観測装置１は、吐出タイミングパルスで規定される吐出周波数Ｆｄでノズル開口２１からインク滴を連続的に吐出させ、且つ、この記録ヘッド２の吐出に同期させて発光タイミングパルスによって規定される発光周波数Ｆｅで発光部５のＬＥＤ４を発光させると共に、飛翔領域Ａを飛翔するインク滴を撮像部６によって撮像する。このようにして撮像された画像では、図４に示すように、輝度が比較的高く白に近い背景に対し、インク滴（メインインク滴Ｄｍ及びこれに付随するサテライトインク滴Ｄｓ）は発光部５からの光を遮るので黒に近い色で撮像される。この例では、ノズル列を構成する各ノズル開口２１から同時にインク滴を吐出した状態で撮像している。そして、この撮像された画像に基づいて、ノズル開口２１の目詰まり（ドット抜け）の有無、インク滴の飛翔方向、飛翔速度、液量（粒径）等の検査が行われる。例えば、ある１つのインク滴に着目し、連続的に撮像した複数の画像を用いてこのインク滴が一定の時間にどの程度の距離を飛翔したかを調べることによって、このインク滴の飛翔速度を求めることができる。

ここで、光源としてのＬＥＤ４は、上述したように低電力での駆動が可能なため、高周波での発光駆動において輻射ノイズを発生し難いという利点がある一方、従来において好適に用いられていたキセノン管に比べて光量が低いという欠点がある。このため、メインインク滴Ｄｍよりもさらに微小なサテライトインク滴Ｄｓを含め、数ｍ／ｓで飛翔中のインク滴をより鮮明に撮像するには、撮像部６の１回の露光中（１フレーム中）に発光部５によってＬＥＤ４を可能な限り多く発光させることが重要となる。そこで、制御部３は、記録ヘッド２によるインク滴の吐出周期と発光部５によるＬＥＤ４の発光周期とを同期させた上で、発光周波数Ｆｅ（即ち、発光タイミングパルスの周波数）を、発光部５の最大駆動周波数Ｆｍを上限とする範囲内の最大値に設定するようにしている。具体的には、記録ヘッド２によるインク滴の吐出間隔をＴ（＝１／Ｆｄ）、１回の発光に対する吐出回数をＮとしたとき、ＬＥＤ４の発光周波数Ｆｅが、以下の式（１）に基づいて設定される。
Ｆｅ＝１／（Ｔ×Ｎ）…（１）
なお、式（１）における吐出回数Ｎは、吐出周波数Ｆｄを発光部５の最大駆動周波数Ｆｍで除算するときの小数点以下を削除した回数をｎ、剰余をａとすると、以下の式（２）によって求められる。
Ｎ＝ｎ＋ａ …（２）

例えば、インク滴の吐出周波数Ｆｄが６８４０×１０^３Ｈｚ、発光部５の最大駆動周波数Ｆｍが１０００Ｈｚである場合、ｎ＝Ｆｄ／Ｆｍ＝６８４０×１０^３／１０００Ｈｚ＝６０００（ａ＝８４０）となり、１回の発光に対する吐出回数Ｎは、上記（２）式に基づき、Ｎ＝ｎ＋ａ＝６０００＋８４０＝６８４０Ｈｚとなる。また、吐出間隔Ｔは、Ｔ＝１／Ｆｄ≒１．４６２×１０^−７ｓｅｃである。したがって、ＬＥＤ４の発光周波数Ｆｅは、上記（１）式に基づき、Ｆｅ＝１／（Ｔ×Ｎ）＝１／（１．４６２×１０^−７×６８４０）≒１０００Ｈｚと定められる。

このように、上記（１）式に基づいて発光周波数Ｆｅを定めることにより、インク滴の吐出に発光を同期させつつもＬＥＤ４を可及的に高い輝度で発光させることが可能となる。これにより、撮像部６によって微小なインク滴をより鮮明に撮像することができ、その結果、撮像された画像に基づいてインク滴の飛翔速度等の検査をより高精度に行うことが可能となる。

ところで、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて種々の変形が可能である。

上記各実施形態においては、発光部５の発光源としてＬＥＤ４を用いる例を示したが、これには限らない。例えば、半導体レーザーなどの低電圧駆動が可能な他の固体発光素子を用いることも可能である。

また、以上では、液滴の観測対象の液体噴射ヘッドとして、記録ヘッド２を例に挙げて説明したが、本発明は他の液体噴射ヘッドから吐出される液滴（機能液滴）の観測にも適用することができる。例えば、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬ（Electro Luminescence）ディスプレー、ＦＥＤ（面発光ディスプレー）等の電極形成に用いられる電極材噴射ヘッド、バイオチップ（生物化学素子）の製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等から吐出される液滴の観測にも本発明は好適である。

液滴観測装置の構成を説明する模式図である。記録ヘッドの構成を説明する要部断面図である。吐出パルスの構成を説明する図である。撮像部によって撮像された画像の一例を示す図である。

符号の説明

１…液滴観測装置，２…記録ヘッド，３…制御部，４…ＬＥＤ，５…発光部，６…撮像部，７…表示装置，１０…圧電振動子，１８…流路基板，１９…ノズル基板，２０…振動板，２１…ノズル開口，２２…圧力室，３３…ＲＯＭ，３４…ＣＰＵ，３５…ＲＡＭ，３７…駆動信号発生回路，３８…発振回路，３９…分周回路，４０…Ｉ／Ｆ部，４２…対物レンズ，４３…ＣＣＤ撮像素子

Claims

ノズル開口に連通する圧力室と、当該圧力室内に導入された液体に圧力変動を生じさせる圧力発生手段とを有する液体噴射ヘッドのノズル開口から吐出される液滴を観測する液滴観測装置であって、
前記圧力発生手段を駆動するための駆動信号を発生する駆動信号発生回路を有し、当該駆動信号発生回路からの駆動信号を圧力発生手段に供給することにより、液体噴射ヘッドによる液滴の吐出を制御する制御部と、
固体発光素子を有し、当該固体発光素子を発光させることにより、前記液体噴射ヘッドのノズル開口から吐出された液滴の飛翔領域に対して光を照射する発光部と、
前記発光部とは液滴の飛翔領域を挟んで反対側に対向配置され、発光部を光源として飛翔領域を飛翔中の液滴を撮像する撮像部と、を備え、
前記制御部は、液体噴射ヘッドによる液滴の吐出と発光部による固体発光素子の発光とを同期させ、尚且つ、発光周波数を、発光部の設計上の最大駆動周波数を上限とする範囲内で液滴の吐出と同期可能な最大値に設定することを特徴とする液滴観測装置。
前記制御部は、液滴の吐出間隔をＴ、１回の発光に対する吐出回数をＮとしたとき、固体発光素子の発光周波数Ｆを、以下の式（１）
Ｆ＝１／（Ｔ×Ｎ）…（１）
に基づいて設定することを特徴とする請求項１に記載の液滴観測装置。
前記固体発光素子は、発光ダイオードであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の液滴観測装置。