JP6292374B2 - 液体吐出装置 - Google Patents

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Description

本発明は、液体吐出装置、当該液体吐出装置に備えられているヘッドを含むヘッドユニット、に関する。
インクジェットプリンターなどの液体吐出装置には、インク滴を吐出するためのアクチュエーターとして圧電素子を用いたものが知られている。この圧電素子を駆動するためには、ピーク値で数十ボルトの振幅を持つ駆動信号を印加する必要がある。従来、この駆動信号を生成する駆動基板には、バイポーラトランジスターをプッシュプル接続したアナログ増幅回路が実装されていたが、電力変換効率が悪く発熱量が大きいため、放熱用のヒートシンクが必要となってしまうなどの問題があった。
発明者等は、上述した問題を鑑み、アナログ増幅回路よりも電力変換効率の優れたデジタル増幅回路を採用することを提案している(例えば、特許文献1)。デジタル増幅回路は、パルス変調技術を用いているため、アナログ増幅回路よりも電力変換効率が優れており、発熱も抑制することができる。
特開2011−5733号公報
しかしながら、デジタル増幅回路を用いたとしても、無視できないレベルの発熱が生じてしまうという課題があった。デジタル増幅回路はスイッチング素子とコイル(ローパスフィルター)から構成されているのが一般的であるが、ローパスフィルターのように多くの圧電素子に電荷を供給する必要があり、かつ、圧電素子の駆動により液滴を吐出するための電圧を印加する必要がある場合、コイルにかかる負荷は非常に大きい。コイルの発熱は多くのノズルを抱えるラインプリンタなどでは特に大きな問題となってくる。
コイルの発熱により、コイルにおける抵抗値およびインダクタンスが変化するゆえ、コイルを通して復元される信号の特性が変わってしまう。信号特性が変わると、その信号に基づき駆動していた圧電素子の動作がコイルの温度変化により変化してしまうため、圧電素子の動作により変化していたキャビティの圧力変化も変わる。そして、最終的にはノズルから吐出される液滴量が変わり、媒体上に描画される画像が変化し、画質の低下を招いてしまう可能性があった。また、あまりに温度が高くなるとコイルと共に配置される部品(例えばコンデンサー等)の長期的な品質に影響する可能性があった。
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、温度変化によってノズルから吐出される液滴量が変化すること等を回避可能とする液体吐出装置、ヘッドユニットを提供することを目的とする。
(1)本発明の液体吐出装置は、元駆動信号を生成する元駆動信号生成部と、前記元駆動信号を変調して変調信号を生成する信号変調部と、前記変調信号を増幅して増幅変調信号を生成する信号増幅部と、前記増幅変調信号を駆動信号に変換する信号変換部と、前記駆動信号により変形する圧電素子と、前記圧電素子の変形によって膨張または収縮するキ
ャビティと、前記キャビティに連通し、前記キャビティ内の圧力の増減により液体を吐出するノズルと、前記信号変換部の温度を検出する温度検出部と、を備えることを特徴とする。
本発明の液体吐出装置によれば、温度検出部が信号変換部の温度検出を行うことで、吐出の安定性と部品破損を回避することができる。吐出の安定性に関しては、温度が検出されることにより、例えば温度に応じて駆動信号の歪みを補正することが可能になる。そのため、温度変化によってノズルから吐出される液滴量が変化することを回避し、生成物の品質の劣化を回避できる。また、部品破損の回避に関しては、温度が検出されることにより、例えば部品が高温で使用されていると判定することができる。このとき、駆動信号の生成を停止して、部品(例えば、ローパスフィルターを構成するコンデンサー)の長期的な品質への悪影響(また、あまりに高温である場合には部品の破損)を回避することが可能になる。よって、液体吐出装置としての長期的な品質(例えば寿命等)の劣化を回避できる。
(2)また、前記信号変換部と前記温度検出部とを電気的に接続する経路長は、前記信号変換部と前記信号増幅部とを電気的に接続する経路長より短い、ことを特徴としてもよい。
この液体吐出装置によれば、信号変換部と温度検出部との経路長を短くすることで、信号増幅部の動作に起因する他の信号によるノイズを可能な範囲で除外することができる。さらには、信号増幅部の他の発熱源(例えばスイッチング素子)の影響を可能な範囲で低減させることができる。
(3)また、前記温度検出部によって検出された温度に応じて、前記元駆動信号生成部、前記信号変調部、前記信号増幅部のうちいずれかの動作を停止することを特徴としてもよい。
この液体吐出装置によれば、検出された温度が、例えば定格温度範囲に基づく所定の温度を超える場合に、元駆動信号生成部、信号変調部、信号増幅部のうちいずれかの動作を停止する。そして、いずれかを停止することで温度を低下させて、部品(例えば、ローパスフィルターを構成するコンデンサー)への長期的な品質への悪影響等を防止することができる。
(4)また、前記温度検出部によって検出された温度に応じて、前記元駆動信号生成部、前記信号変調部、前記信号増幅部のうちいずれかの動作を補正することを特徴としてもよい。
この液体吐出装置によれば、検出された温度に応じて、元駆動信号生成部、信号変調部、信号増幅部のうちいずれかの動作を補正するので、駆動信号の歪みを補正することが可能になる。そのため、温度変化によってノズルから吐出される液滴量が変化することを回避し、生成物の品質の劣化を回避できる。ここで、元駆動信号生成部の動作の補正とは、例えば元駆動信号の波形を変えることである。つまり、温度変化による駆動信号の周波数減衰特性に応じて、減衰する周波数について元駆動信号で強調するといった補正(プリエンファシス)を行う。また、信号変調部の動作の補正とは、例えば変調周波数を落とすことである。また、信号増幅部の補正とは、例えば増幅率を変えて(電圧を低くして)負荷低減を図ることである。これらの補正によって、温度変化に伴うインダクタンスの変化による駆動信号が歪みを低減することができる。
(5)また、前記圧電素子は複数あり、前記駆動信号は複数の前記圧電素子に印加され
ることを特徴としてもよい。
駆動信号が複数の圧電素子に印加される場合、温度変化による駆動信号の歪みによって多くの圧電素子が影響されることになり、生成物(例えば印刷物)の品質への影響が大きい。この液体吐出装置によれば、このような生成物の品質への大きな影響を回避することができ、大きな効果を得ることができる。
(6)また、前記液体吐出装置は、ラインヘッドプリンターであってもよい。
ラインプリンタの場合、ライン上に並んだ複数のノズルを同時に駆動する必要があるので、上記のように温度変化による生成物の品質への影響が大きい。この液体吐出装置によれば、このような生成物の品質への大きな影響を回避することができ、同時駆動の必要がないシリアルプリンタと比べて大きな効果を得ることができる。
(7)また、前記信号変換部と前記温度検出部との物理的直線距離は、前記信号変換部と前記信号増幅部との物理的直線距離より短い、ことを特徴としてもよい。
この液体吐出装置によれば、信号変換部と温度検出部との物理的直線距離を短くすることで、信号増幅部の動作に起因する他の信号によるノイズを可能な範囲で除外することができる。
(8)本発明のヘッドユニットは、駆動信号により変形する圧電素子と、前記圧電素子の変形によって膨張または収縮するキャビティと、前記キャビティに連通し、前記キャビティ内の圧力の増減により液体を吐出するノズルと、を有し、前記圧電素子は、信号変換部が生成する前記駆動信号を受け取り、前記駆動信号は、温度検出部が検出する前記信号変換部の温度に応じて波形が調整されることを特徴とする。
本発明のヘッドユニットによれば、温度検出部が検出する信号変換部の温度に応じて波形が調整されている駆動信号を受け取るので、温度変化によってノズルから吐出される液滴量が変化することを回避し、生成物の品質の劣化を回避できる。
印刷システムの全体構成を示すブロック図である。 プリンターの概略断面図である。 プリンターの概略上面図である。 ヘッドの構造を説明するための図である。 駆動信号生成部からの駆動信号COMおよびドット形成に用いられる制御信号を説明するための図である。 ヘッド制御部の構成を説明するブロック図である。 駆動信号COMの生成までの流れを説明する図である。 温度検出部を含む駆動信号生成部等の詳細ブロック図である。 本実施形態の温度上昇による駆動信号の劣化の例を示す図である。 温度検出部等の基板上の物理的配置の例を示す図である。
1.印刷システムの構成
本発明の液体噴射装置の実施形態として、液体噴射型印刷装置に適用されたものについて説明する。
図1は、第1実施形態の液体噴射型印刷装置(プリンター1)を含む印刷システムの全
体構成を示すブロック図である。後述するように、プリンター1は用紙S(図2、図3参照)が所定の方向に搬送され、その搬送途中の印刷領域で印刷される、ラインヘッドプリンターである。
プリンター1はコンピューター80と通信可能に接続されており、コンピューター80内にインストールされているプリンタードライバーが、プリンター1に画像を印刷させるための印刷データを作成し、プリンター1に出力する。プリンター1は、コントローラー10と、用紙搬送機構30と、ヘッドユニット40と、検出器群70と、を有する。なお、後述するようにプリンター1は複数のヘッドユニット40を含んでもよいが、ここでは、1つのヘッドユニット40を代表させて図1に示して説明する。
プリンター1内のコントローラー10は、プリンター1における全体的な制御を行うためのものである。インターフェース部11は、外部装置であるコンピューター80との間でデータの送受信を行う。そして、インターフェース部11は、コンピューター80から受け取ったデータのうち、印刷データ111をCPU12に出力する。印刷データ111は例えば画像データ、印刷モードを指定するデータ等を含む。
CPU12は、プリンター1の全体的な制御を行うための演算処理装置であり、駆動信号生成部14、制御信号生成部15、搬送信号生成部16を介してヘッドユニット40、用紙搬送機構30を制御する。メモリー13は、CPU12のプログラム、データを格納する領域や作業領域等を確保するためのものである。検出器群70によってプリンター1内の状況が監視され、コントローラー10は検出器群70からの検出結果に基づき制御を行う。なお、CPU12のプログラム、データはストレージメディア113に格納されていてもよい。ストレージメディア113は、例えばハードディスクなどの磁気ディスク、DVDなどの光学ディスク、フラッシュメモリーなどの不揮発性メモリーのいずれかであってもよいが、特に限定されるものではない。図1のように、CPU12はプリンター1に接続されたストレージメディア113にアクセス可能であってもよい。また、ストレージメディア113はコンピューター80に接続されており、CPU12はインターフェース部11およびコンピューター80を介してストレージメディア113にアクセス可能(経路は不図示)であってもよい。
駆動信号生成部14は、ヘッド41に含まれる圧電素子PZTを変位させる駆動信号COMを生成する。駆動信号生成部14は、後述するように、元駆動信号生成部25の一部、信号変調部26、信号増幅部28(デジタル電力増幅回路)、信号変換部29(平滑フィルター)を含む(図7参照)。駆動信号生成部14は、CPU12からの指示に従って、元駆動信号生成部25で元駆動信号125を生成し、信号変調部26で元駆動信号125をパルス変調して変調信号126を生成し、信号増幅部28で変調信号126を増幅し、信号変換部29で増幅変調信号128(増幅された変調信号126)を平滑化して駆動信号COMを生成する。
制御信号生成部15は、CPU12からの指示に従って制御信号を生成する。制御信号は、例えば噴射するノズルを選択するといったヘッド41の制御に用いられる信号である。本実施形態では、制御信号生成部15は、クロック信号SCK、ラッチ信号LAT、チャンネル信号CH、駆動パルス選択データSI&SPを含む制御信号を生成するが、これらの信号の詳細については後述する。なお、制御信号生成部15はCPU12に含まれる構成(すなわち、CPU12が制御信号生成部15の機能を兼ねる構成)であってもよい。
ここで、駆動信号生成部14が生成する駆動信号COMは連続的に電圧が変化するアナログ信号であり、制御信号であるクロック信号SCK、ラッチ信号LAT、チャンネル信
号CH、駆動パルス選択データSI&SPはデジタル信号である。駆動信号COMと制御信号は、フレキシブルフラットケーブル(以下、FFCとも記載する)であるケーブル20を経由してヘッドユニット40のヘッド41へと伝送される。制御信号については、差動シリアル方式を用いて複数種類の信号を時分割で伝送してもよい。このとき、制御信号を種類毎にパラレルに伝送する場合と比べて、必要な伝送線の数を減らすことができ、多くのFFCの重ね合わせによる摺動性の低下を回避し、コントローラー10およびヘッドユニット40に設けるコネクターのサイズも小さくなる。
搬送信号生成部16は、CPU12からの指示に従って、用紙搬送機構30を制御する信号を生成する。用紙搬送機構30は、例えばロール状に巻かれた連続する用紙Sを回転可能に支持すると共に回転により用紙Sを搬送し、印刷領域にて所定の文字や画像等が印刷されるようにする。例えば用紙搬送機構30は、搬送信号生成部16で生成された信号に基づいて用紙Sを所定の方向に搬送する。なお、搬送信号生成部16はCPU12に含まれる構成(すなわち、CPU12が搬送信号生成部16の機能を兼ねる構成)であってもよい。
ヘッドユニット40は、液体吐出部としてのヘッド41を含んでいる。紙面の都合上、図1では1つのヘッド41だけを示しているが、本実施形態のヘッドユニット40は複数のヘッド41を含んでいるものとする。ヘッド41は、圧電素子PZT、キャビティCA、ノズルNZを含むアクチュエーター部を少なくとも2つ含み、圧電素子PZTの変位を制御するヘッド制御部HCも含んでいる。アクチュエーター部は、駆動信号COMによって変位可能な圧電素子PZTと、内部に液体が充填されており、圧電素子PZTの変位により内部の圧力が増減されるキャビティCAと、キャビティCAに連通しており、キャビティCA内の圧力の増減により液体を液滴として吐出するノズルNZを含む。ヘッド制御部HCは、コントローラー10からの駆動信号COMおよび制御信号に基づいて圧電素子PZTの変位を制御する。
ここで、各アクチュエーター部に含まれる要素を区別する場合には、符号に括弧書きの数字を付すものとする。図1の例では、アクチュエーター部は3つあり、第1のアクチュエーター部は、第1圧電素子PZT(1)、第1キャビティCA(1)、第1ノズルNZ(1)を含み、第2のアクチュエーター部は、第2圧電素子PZT(2)、第2キャビティCA(2)、第2ノズルNZ(2)を含み、第3のアクチュエーター部は、第3圧電素子PZT(3)、第3キャビティCA(3)、第3ノズルNZ(3)を含む。なお、アクチュエーター部は3つに限るものではなく、例えば2つでもよいし、4つ以上であってもよい。また、図1では、図示の都合上、第1〜第3のアクチュエーター部が1つのヘッド41に含まれているが、その一部が不図示の別のヘッド41に含まれていてもよい。
駆動信号COMは、図1のように駆動信号生成部14で生成されて、ケーブル20、ヘッド制御部HCを経由して第1圧電素子PZT(1)、第2圧電素子PZT(2)、第3圧電素子PZT(3)へと伝えられる。また、クロック信号SCK、ラッチ信号LAT、チャンネル信号CH、駆動パルス選択データSI&SPを含む制御信号は、図1のように制御信号生成部15で生成されて、ケーブル20を経由して、ヘッド制御部HCにおける制御に用いられる。
2.プリンターの構成
図2はプリンター1の概略断面図である。図2の例では、用紙Sはロール状に巻かれた連続紙であるとして説明するが、プリンター1が画像を印刷する記録媒体は連続紙に限らず、カット紙でもよいし、布やフィルム等でもよい。
プリンター1は、回転により用紙Sを繰り出す巻軸21と、巻軸21から繰り出された
用紙Sを巻き掛けて上流側搬送ローラー対31に導く中継ローラー22と、を有する。そして、プリンター1は用紙Sを巻き掛けて送る複数の中継ローラー32,33と、印刷領域よりも搬送方向の上流側に配設された上流側搬送ローラー対31と、印刷領域よりも搬送方向の下流側に配設された下流側搬送ローラー対34と、を有する。上流側搬送ローラー対31及び下流側搬送ローラー対34は、それぞれ、モーター(不図示)に連結されて駆動回転する駆動ローラー31a,34aと、駆動ローラー31a,34aの回転に伴って回転する従動ローラー31b,34bと、を有する。そして、上流側搬送ローラー対31及び下流側搬送ローラー対34がそれぞれ用紙Sを挟持した状態で駆動ローラー31a,34aが駆動回転することにより用紙Sに搬送力が付与される。プリンター1は、下流側搬送ローラー対34から送られた用紙Sを巻き掛けて送る中継ローラー61と、中継ローラー61から送られた用紙Sを巻取る巻取り駆動軸62と、を有する。巻取り駆動軸62の回転駆動に伴って印刷済みの用紙Sはロール状に順次巻き取られる。なお、これらのローラーや不図示のモーターは、図1の用紙搬送機構30に対応する。
プリンター1は、ヘッドユニット40と、印刷領域にて用紙Sを印刷面の反対側面から支持するプラテン42と、を有する。プリンター1は、複数のヘッドユニット40を備えていてもよい。プリンター1は、例えばインクの色毎にヘッドユニット40を用意してもよく、イエロー(Y)、マゼンタ(M)、シアン(C)、ブラック(K)の4色のインクを吐出可能な4個のヘッドユニット40を搬送方向に並べる構成であってもよい。なお、以下の説明においては、1つのヘッドユニット40を代表させて説明するが、そのノズルごとにインクの色が割り当てられておりカラー印刷が可能であるものとする。
図3に示すように、ヘッドユニット40では、複数のヘッド41(1)〜41(4)が、用紙Sの搬送方向と交差する用紙Sの幅方向(Y方向)に並んでいる。なお、説明のため、Y方向の奥側のヘッド41から順に小さい番号を付す。また、各ヘッド41における用紙Sとの対向面(下面)では、インクを吐出する多数のノズルNZがY方向に所定の間隔おきに並んでいる。なお、図3では、ヘッドユニット40を上から見たときのヘッド41とノズルNZの位置を仮想的に示す。Y方向に隣り合うヘッド41(例えば、41(1)と41(2))の端部のノズルNZの位置は少なくとも一部が重複しており、ヘッドユニット40の下面では、用紙Sの幅長さ以上に亘って、ノズルNZがY方向に所定の間隔おきに並んでいる。よって、ヘッドユニット40の下を停まることなく搬送される用紙Sに対してヘッドユニット40がノズルNZからインクを吐出することにより、用紙Sに2次元の画像が印刷される。
なお、図3では、紙面の都合上、ヘッドユニット40に属するヘッド41を4個として示しているがこれに限るものではない。つまり、ヘッド41は4個より多くても少なくてもよい。また、図3のヘッド41は千鳥格子状に配置されているが、このような配置に限るものではない。ここで、ノズルNZからのインク吐出方式は、本実施形態では圧電素子PZTに電圧をかけてインク室を膨張・収縮させることによりインクを吐出させるピエゾ方式であるが、発熱素子を用いてノズルNZ内に気泡を発生させ、その気泡によりインクを吐出させるサーマル方式でもよい。
また、本実施形態では、プラテン42の水平な面で用紙Sを支持しているがこれに限らず、例えば、用紙Sの幅方向を回転軸として回転する回転ドラムをプラテン42とし、回転ドラムに用紙Sを巻き掛けて搬送しつつヘッド41からインクを吐出してもよい。この場合、回転ドラムの円弧形状の外周面に沿ってヘッドユニット40が傾斜して配置される。また、ヘッド41から吐出されるインクが、例えば、紫外線を照射することにより硬化するUVインクである場合には、ヘッドユニット40の下流側に紫外線を照射する照射器を設けてもよい。
ここで、プリンター1は、ヘッドユニット40のクリーニングを行うためにメンテナンス領域を設けている。プリンター1のメンテナンス領域には、ワイパー51と、複数のキャップ52と、インク受け部53が存在する。メンテナンス領域は、プラテン42(すなわち、印刷領域)よりもY方向の奥側に位置し、クリーニング時にヘッドユニット40はY方向の奥側に移動する。
ワイパー51とキャップ52は、インク受け部53で支持され、インク受け部53によってX方向(用紙Sの搬送方向)に移動可能となっている。ワイパー51は、インク受け部53から立設した板状の部材であり、弾性部材や布、フェルト等で形成されている。キャップ52は、弾性部材等で形成された直方体の部材であり、ヘッド41毎に設けられている。そして、ヘッドユニット40におけるヘッド41(1)〜41(4)の配置に合わせて、キャップ52(1)〜52(4)も幅方向に並んでいる。よって、ヘッドユニット40がY方向の奥側に移動するとヘッド41とキャップ52が対向し、ヘッドユニット40が下降すると(又はキャップ52が上昇すると)、ヘッド41のノズル開口面にキャップ52が密着し、ノズルNZを封止することができる。インク受け部53は、ヘッド41のクリーニング時にノズルNZから吐出されたインクを受ける役割も担う。
ヘッド41に設けられたノズルNZからインクが吐出される際には、メインのインク滴と共に微小なインク滴が発生し、その微小なインク滴がミストとして舞い上がり、ヘッド41のノズル開口面に付着する。また、ヘッド41のノズル開口面には、インクだけでなく、埃や紙粉等も付着する。これらの異物をヘッド41のノズル開口面に付着させたまま放置して堆積させてしまうと、ノズルNZが塞がれ、ノズルNZからのインク吐出が阻害されてしまう。そこで、本実施形態のプリンター1では、ヘッドユニット40のクリーニングとしてワイピング処理が定期的に行われる。
3.駆動信号および制御信号
以下に、ケーブル20で伝送されるコントローラー10からの駆動信号COMおよび制御信号の詳細について説明する。まず、ヘッド41の構造を説明し、駆動信号COMおよび制御信号の波形を例示した後に、ヘッド制御部HCの構成について説明する。
3.1.ヘッドの構造
図4は、ヘッド41の構造を説明するための図である。図4には、ノズルNZ、圧電素子PZT、インク供給路402、ノズル連通路404、及び、弾性板406が示されている。インク供給路402、ノズル連通路404はキャビティCAに対応する。
インク供給路402には、不図示のインクタンクからインク滴が供給される。そして、インク滴はノズル連通路404に供給される。圧電素子PZTには、駆動信号COMの駆動パルスPCOMが印加される。駆動パルスPCOMが印加されると波形に従って圧電素子PZTが伸縮(変位)し、弾性板406を振動させる。そして、駆動パルスPCOMの振幅に対応する量のインク滴がノズルNZから吐出されるようになっている。このようなノズルNZ、圧電素子PZT等からなるアクチュエーター部が図3のように並んで、ノズル列を有するヘッド41を構成している。
3.2.信号の波形
図5は、駆動信号生成部14からの駆動信号COMおよびドット形成に用いられる制御信号を説明するための図である。駆動信号COMは、圧電素子PZTに印加されて液体を噴射させる単位駆動信号としての駆動パルスPCOMを時系列的に接続したものであり、駆動パルスPCOMの立ち上がり部分がノズルに連通するキャビティCAの容積を拡大して液体を引込む段階であり、駆動パルスPCOMの立下がり部分がキャビティCAの容積を縮小して液体を押出す段階であり、液体を押出した結果、液体がノズルから噴射される
この電圧台形波からなる駆動パルスPCOMの電圧増減傾きや波高値を種々に変更することにより、液体の引込量や引込速度、液体の押出量や押出速度を変化させることができ、これにより液体の噴射量を変化させて異なる大きさのドットを得ることができる。従って、複数の駆動パルスPCOMを時系列的に連結する場合でも、そのうちから単独の駆動パルスPCOMを選択して圧電素子PZTに印加し、液体を噴射したり、複数の駆動パルスPCOMを選択して圧電素子PZTに印加し、液体を複数回噴射したりすることで種々の大きさのドットを得ることができる。即ち、液体が乾かないうちに複数の液体を同じ位置に着弾すると、実質的に大きな液体を噴射するのと同じことになり、ドットの大きさを大きくすることができる。このような技術の組合せによって多階調化を図ることが可能となる。なお、図5の左端の駆動パルスPCOM1は、駆動パルスPCOM2〜PCOM4とは異なり、液体を引込むだけで押出していない。これは、微振動と呼ばれ、液体を噴射せずにノズルの増粘を抑制防止したりするのに用いられる。
ヘッド制御部HCには、駆動信号生成部14からの駆動信号COMの他、制御信号生成部15からの制御信号として、クロック信号SCK、ラッチ信号LAT、チャンネル信号CH、駆動パルス選択データSI&SPが入力される。このうち、ラッチ信号LAT、チャンネル信号CHは、駆動信号COMのタイミングを定める制御信号であり、図5のように、ラッチ信号LATで一連の駆動信号COMが出力され始め、チャンネル信号CH毎に駆動パルスPCOMが出力されることになる。駆動パルス選択データSI&SPは、インク滴を吐出させるべきノズルに対応した圧電素子PZTを指定する画素データSI(SIH、SIL)及び駆動信号COMの波形パターンデータSPを含む。SIH、SILは、それぞれ、2ビットの画素データSIの上位ビット、下位ビットに対応する。
3.3.ヘッド制御部
図6は、ヘッド制御部HCの構成を説明するブロック図である。ヘッド制御部HCは、液体を噴射させるノズルに対応した圧電素子PZTを指定するための駆動パルス選択データSI&SPを保存するシフトレジスター211と、シフトレジスター211のデータを一時的に保存するラッチ回路212と、ラッチ回路212の出力をレベル変換して選択スイッチ201に供給することにより、駆動信号COMの電圧を圧電素子PZTに印加するレベルシフター213を備えて構成されている。
シフトレジスター211には、駆動パルス選択データSI&SPが順次入力されると共に、クロック信号SCKの入力パルスに応じて記憶領域が初段から順次後段にシフトする。ラッチ回路212は、ノズル数分の駆動パルス選択データSI&SPがシフトレジスター211に格納された後、入力されるラッチ信号LATによってシフトレジスター211の各出力信号をラッチする。ラッチ回路212に保存された信号は、レベルシフター213によって次段の選択スイッチ201をオンオフできる電圧レベルに変換される。これは、駆動信号COMが、ラッチ回路212の出力電圧に比べて高い電圧であり、これに合わせて選択スイッチ201の動作電圧範囲も高く設定されているためである。従って、レベルシフター213によって選択スイッチ201が閉じられる圧電素子PZTは駆動パルス選択データSI&SPの接続タイミングで駆動信号COM(駆動パルスPCOM)に接続される。
また、シフトレジスター211の駆動パルス選択データSI&SPがラッチ回路212に保存された後、次の印刷情報をシフトレジスター211に入力し、液体の噴射タイミングに合わせてラッチ回路212の保存データを順次更新する。なお、この選択スイッチ201により、圧電素子PZTを駆動信号COM(駆動パルスPCOM)から切り離した後も、当該圧電素子PZTの入力電圧は、切り離す直前の電圧に維持される。
3.4.駆動信号
図7は、駆動信号COMの生成までの流れを説明する図である。上記のように、図7の元駆動信号生成部25の一部、信号変調部26、信号増幅部28(デジタル電力増幅回路)、信号変換部29(平滑フィルター)は駆動信号生成部14に対応している。元駆動信号生成部25は、インターフェース部11からの印刷データ111に基づいて例えば図7のような元駆動信号125を生成する。
元駆動信号生成部25は、後述するようにCPU12、DAC39等を含み、CPU12が印刷データ111に基づいて元駆動データを選択して、DAC39に出力することで元駆動信号125を生成する。
信号変調部26は、元駆動信号生成部25からの元駆動信号125を受け取ると、所定の変調を行って変調信号126を生成する。所定の変調とは、本実施例ではパルス幅変調(Pulse-Width Modulation、PWM)であるが、例えばパルス密度変調(Pulse-Density Modulation、PDM)といった他の変調方式が用いられてもよい。
信号増幅部28は、変調信号126を受け取って電力増幅を行い、信号変換部29は、増幅変調信号128を平滑化して、広いパルス幅に変調されている部分は電圧値が高く、狭いパルス幅に変調されている部分は電圧値が低いアナログの駆動信号COMを生成する。
4.温度検出部
4.1.温度検出について
図8は、温度検出部82を含む駆動信号生成部14等の詳細ブロック図である。なお、図1〜図7と同じ要素には同じ符号を付しており説明を省略する。まず、図8を参照して、信号変換部29の構成について説明する。信号変換部29は、コイルLとコンデンサーCとを組み合わせたローパスフィルターで実現される。
ここで、本実施形態のプリンター1は、多くのノズルを同時駆動させるラインヘッドプリンターである。多くの圧電素子PZTに駆動信号COMを印加する必要があるため、コイルLにかかる負荷は非常に大きいものであり、コイルLの発熱は大きな問題となってくる。コイルLの発熱により、コイルLにおける抵抗値、およびインダクタンスが変化するゆえ、コイルLを通して復元される駆動信号COMの特性が変わってしまう。駆動信号COMの特性が変わると、圧電素子PZTの動作により変化していたキャビティCAの圧力変化も変わり、最終的にはノズルNZから吐出される液滴量が変わって、画質の低下を招いてしまう。
そこで、本実施形態のプリンター1は、図8のように温度検出部82を備えることで、上記の課題を解決する。温度検出部82は、一端が接地されたサーミスターRtと、一端が供給電圧Vddに接続された抵抗R0とを直列接続して構成されている。サーミスターRtは、本実施形態のように温度の上昇に対して抵抗が減少するNTC(Negative Temperature Coefficient)サーミスターであってもよいし、逆に温度の上昇に対して抵抗が増大するPTC(Positive Temperature Coefficient) サーミスターであってもよい。
温度検出部82は、サーミスターRtの接地されていない端子側の電位を検出温度信号Vaとして出力する。検出温度信号Vaは“Vdd×Rt/(R0+Rt)”で与えられる。なお、抵抗R0、サーミスターRtの抵抗値をそれぞれR0、Rtで表している。温度が上昇するとRtが減少するので検出温度信号Vaが低下し、温度が低下するとRtが増大するので検出温度信号Vaが上昇する。よって、検出温度信号Vaの変化によって、
温度検出部82が温度を検出した対象物の温度変化を知ることができる。
ここで、温度検出部82は信号変換部29を温度検出の対象物とし、特にコンデンサーCの温度を検出する。図8のように、温度検出部82のサーミスターRtは、コンデンサーCの一端とも電気的に接続されている。元駆動信号生成部25、信号変調部26および信号増幅部28の少なくとも1つは、検出温度信号Vaに基づいて、信号変換部29(特にコンデンサーC)の温度に応じた動作(例えば、駆動信号COMを生成するための動作の停止や補正、以下「温度に応じた動作」とする)を実行する。温度に応じた動作の詳細については後述するものとし、ここでは、図8を参照に元駆動信号生成部25、信号変調部26、信号増幅部28の構成の詳細について説明する。
元駆動信号生成部25は、デジタル電位データなどで構成される元駆動信号125の元駆動データを記憶するメモリー13と、インターフェース部11からの印刷データ111に基づいてメモリー13から元駆動データを読み込み、電圧信号に変換して所定サンプリング周期分ホールドすると共に、後述する三角波発振器36に向けて三角波信号の周波数や波形、或いは波形出力タイミングを指示するCPU12と、CPU12から出力される電圧信号をアナログ変換して元駆動信号125として出力する1つのDAC39と、を含む。
信号変調部26は、パルス幅変調(PWM:Pulse Width Modulation)回路であって、CPU12から指示された周波数や波形、波形出力タイミングに応じて基準信号となる三角波信号を出力する三角波発振器36と、DAC39から出力された元駆動信号125と三角波発振器36から出力された三角波信号とを比較する比較器35と、を含み、元駆動信号125が三角波信号より大きいときにオンデューティとなるパルスデューティの変調信号126を出力する。なお、信号変調部26は、この他にパルス密度変調(PDM)回路などの周知のパルス変調回路を用いることができる。
信号増幅部28は、デジタル電力増幅回路であって、実質的に電力を増幅するためのハイサイド側のスイッチング素子QH及びローサイド側のスイッチング素子QLからなるハーフブリッジ出力段と、信号変調部26からの変調信号126に基づいて、ハイサイド側のスイッチング素子QH、ローサイド側のスイッチング素子QLのゲート入力信号GH、GLを調整するためのゲートドライブ回路38とを備えて構成されている。スイッチング素子QH、QLとしては、例えばパワーMOSFETを用いることができるが、これに限られない。
信号増幅部28では、変調信号126がハイレベルであるとき、ハイサイド側のスイッチング素子QHのゲート入力信号GHはハイレベルとなり、ローサイド側のスイッチング素子QLのゲート入力信号GLはローレベルとなるので、ハイサイド側のスイッチング素子QHはオン状態となり、ローサイド側のスイッチング素子QLはオフ状態となり、その結果、ハーフブリッジ出力段の出力は、供給電圧Vddとなる。一方、変調信号126がローレベルであるとき、ハイサイド側のスイッチング素子QHのゲート入力信号GHはローレベルとなり、ローサイド側のスイッチング素子QLのゲート入力信号GLはハイレベルとなるので、ハイサイド側のスイッチング素子QHはオフ状態となり、ローサイド側のスイッチング素子QLはオン状態となり、その結果、ハーフブリッジ出力段の出力は0となる。
なお、CPU12から出力される増幅指示信号112によって、動作の停止が指示された場合には、ゲートドライブ回路38はハイサイド側のスイッチング素子QH、ローサイド側のスイッチング素子QLを共にオフ状態とする。ハイサイド側のスイッチング素子QH、ローサイド側のスイッチング素子QLを共にオフ状態とすることは、信号増幅部28
の動作を停止することと同義であり、電気的には容量性負荷である圧電素子PZTからなるアクチュエーターがハイインピーダンス状態に維持されることになる。
前記の通り、信号変換部29は、平滑フィルターであり、信号変調部26で生じた変調周波数、即ちパルス変調の周波数成分を減衰して除去し、駆動信号COMを生成して、ヘッドユニット40のヘッド41へと出力する。
駆動信号COMを受け取るヘッド41は、液体を吐出するノズルに対応して多くの圧電素子PZTを含む。第1圧電素子PZT(1)、第2圧電素子PZT(2)、第3圧電素子PZT(3)は、全体の圧電素子PZT(例えば数千個)の一部である。ヘッド41はヘッド制御部HCを含み、ヘッド制御部HCは圧電素子PZTのそれぞれに駆動信号COMの電圧を印加するかを選択する選択スイッチ201を含んでいる。なお、図8では、キャビティCA、ノズルNZ、ヘッド制御部HCの選択スイッチ201以外の機能ブロック(例えばシフトレジスター211等、図6参照)の図示を省略している。
4.2.温度に応じた動作について
上記のように、元駆動信号生成部25、信号変調部26および信号増幅部28の少なくとも1つは、検出温度信号Vaに基づいて「温度に応じた動作」を実行するが、これにより、部品破損を回避し、吐出の安定性を得ることができる。
まず、「温度に応じた動作」として、駆動信号COMを生成するための動作を停止することが挙げられる。検出温度信号Vaに基づいて、コンデンサーCの温度が定格温度範囲に基づく所定の温度を超えると判定(以下、破損高温判定とする)した場合に、元駆動信号生成部25、信号変調部26および信号増幅部28の少なくとも1つ(いずれかでもよい)は動作を停止する。例えば、これらのいずれかが駆動信号COMを生成するための動作を停止することで、温度を低下させてコンデンサーCの破損を防止することができる。なお、破損高温判定は、元駆動信号生成部25、信号変調部26および信号増幅部28がそれぞれ行ってもよいし、例えばCPU12が行って判定結果を元駆動信号生成部25、信号変調部26、信号増幅部28に出力してもよい。
なお、温度検出部82がコイルLを温度検出の対象として、コイルLについて破損高温判定がされてもよい。しかし、本実施形態では、基板上でコイルLの裏面にスルーホールTH(図10参照)を多く設けることでコイルLの放熱性を高めているため、比較的、破損が問題となり易いコンデンサーCを温度検出の対象としている。
次に、「温度に応じた動作」として、駆動信号COMを生成するための動作を補正することが挙げられる。温度の変化による駆動信号COMの波形の歪みのデータは理論計算、シミュレーション、実測等により得ることが可能である。そのため、元駆動信号生成部25、信号変調部26、信号増幅部28は、検出温度信号Vaに基づいて、この波形の歪みを補正することができる。
図9は、温度上昇による駆動信号COMの劣化の例を示す図である。なお、図9では図5のPCOM2に対応する波形のみを抜き出して示しており、点線で示しているのが図5のPCOM2に対応する理想的な波形である。また、実線で示しているのが温度上昇によって歪みを生じた波形である。
まず、カットオフ周波数Fcの低下による駆動信号COMの劣化が考えられる。温度が上昇するとコイルLのインダクタンスが上がり、ローパスフィルターである信号変換部29のカットオフ周波数Fcが下がる。そのため、図9のWaのように、圧電素子PZTに印加される駆動信号COMがなまり、信号増幅部28(デジタル電力増幅回路)でのスイ
ッチング時の高周波ノイズも多くのることになる。
なまった駆動信号COMが圧電素子PZTに印加されると、キャビティCAの容積の拡大縮小が適切に行われず、尾引き液滴やサテライト液滴が生じる虞がある。ここで、尾引き液滴は、吐出された液滴がノズル側に伸びた形状に変形した液滴である。サテライト液滴は、ノズルから吐出される液滴が液滴本体と小さい液滴とに分離された場合の小さい液滴である。尾引き液滴やサテライト液滴は多色描画において混色の原因となり、適正な画像が形成されなくなり、生成物の品質劣化を生じる。また、ノイズの多い駆動信号COMが圧電素子PZTに印加されると、圧電素子PZTの動きそのものが不安定になり誤吐出につながる。
また、コイルLの抵抗値が大きくなることで、駆動信号COMの振幅が小さくなる劣化が考えられる。そのため、図9のWbのように、信号変化に要する時間が、劣化前のTb0からTb1に変化し、駆動信号COMの電圧増減傾きが変化してしまう。この傾きの変化により、引込まれる液体の量が変化して、生成物の品質劣化を生じることになる。そこで、元駆動信号生成部25、信号変調部26および信号増幅部28の少なくとも1つ(いずれかでもよい)は、検出温度信号Vaに基づいて、図9のWa、Wbで示したような波形の歪みを、図9の点線で示した波形へと補正する。
このとき、元駆動信号生成部25が補正を行ってもよい。元駆動信号生成部25の動作の補正とは、例えば元駆動信号125の波形を変えることである。つまり、温度変化による駆動信号COMの周波数減衰特性に応じて、減衰する周波数について元駆動信号125で強調するといった補正(プリエンファシス)を行う。
また、信号変調部26が補正を行ってもよい。信号変調部26の動作の補正とは、例えば変調周波数を落とすことである。変調周波数を落とすことで、コイルLにかかる負荷を低減することができるからである。
また、信号増幅部28が補正を行ってもよい。信号増幅部28の動作の補正とは、例えば増幅率を変えることである。電圧を低くして、コイルLにかかる負荷を低減することができるからである。なお、元駆動信号生成部25、信号変調部26、信号増幅部28の補正は適宜組み合わせて行われてもよい。また、破損高温判定の結果に基づく駆動信号COMを生成するための動作の停止とも適宜組み合わせて行われてもよい。ここで、図9のWa、Wbで示したような波形の歪みは一例であり、例えば駆動信号COMの振幅が大きくなるような歪みもあり得る。そのような場合でも、元駆動信号生成部25、信号変調部26および信号増幅部28の少なくとも1つは、上記の手法により、図9の点線で示した波形へと補正することができる。
4.3.基板上の配置について
ここで、温度検出部82が正確に信号変換部29のコンデンサーCの温度を検出するために、図10のような基板上の配置をすることが好ましい。図10は、温度検出部82等の基板上の物理的配置の例を示す図である。
図10には、部品として、集積回路装置IC、スイッチング素子QH、QL、コイルL、コンデンサーC、サーミスターRt、抵抗R0が示されているが、その他の部品については見やすさのために図示を省略している。
図10では、基板を大きく4つの領域に区分している。集積回路装置ICを中心とした元駆動信号生成部25および信号変調部26の領域と、スイッチング素子QH、QLを中心とした信号増幅部28の領域と、コイルLとコンデンサーCを含む信号変換部29の領
域と、サーミスターRtと抵抗R0を含む温度検出部82の領域である。本実施形態において、温度検出部82の領域(以下、単に温度検出部82とする)は、正確にコンデンサーCの温度を検出するために、信号増幅部28の領域(以下、単に信号増幅部28とする)と信号変換部29の領域(以下単に信号変換部29とする)との関係で以下を満たす。
まず、図10のように、信号変換部29と温度検出部82とを電気的に接続する経路長Laは、信号変換部29と信号増幅部28とを電気的に接続する経路長Lbより短い。このとき、信号変換部29と温度検出部82との経路長Laを短くすることで、信号増幅部28の動作(例えばスイッチング動作)に起因する他の信号によるノイズを可能な範囲で除外することができる。さらには、信号増幅部28の他の発熱源(例えばスイッチング素子QH、QL)の影響を可能な範囲で低減させることができる。
また、図10のように、信号変換部29と温度検出部82との物理的直線距離Daは、信号変換部29と信号増幅部28との物理的直線距離Dbより短い。このとき、信号変換部29と温度検出部82との物理的直線距離Daを短くすることで、信号増幅部28の動作(例えばスイッチング動作)に起因する他の信号によるノイズを除外する効果を高めることができる。なお、図10では、信号増幅部28、信号変換部29、温度検出部82の物理的中心を結んで物理的直線距離Da、Dbを定めているが、例えば主要部品(例えばスイッチング素子QH、QL、コイルL、サーミスターRt等)を結んで物理的直線距離Da、Dbを定めてもよい。
以上のように、本実施形態のプリンター1では、温度検出部82が信号変換部29の温度検出を行うことで、吐出の安定性と部品破損を回避することができる。吐出の安定性は、温度に応じて駆動信号COMの歪みを補正することで可能になる。このとき、温度変化によってノズルから吐出される液滴量が変化することを回避し、生成物の品質の劣化を回避できる。また、部品破損の回避は、破損高温判定を行い、判定結果に基づいて駆動信号COMの生成を停止して、例えばコンデンサーCの破損を回避することが可能になる。よって、長期的な品質(例えば寿命等)の劣化を回避できるプリンター1やそのヘッドユニット40を提供できる。
なお、本実施形態は、ラインヘッド方式の液体吐出装置に限らず、多くの圧電素子を同時に駆動したいという要求を抱える液体噴射型印刷装置であれば、同様の効果を得られるものである。
5.その他
本発明は、上記の実施例および適用例で説明した構成と実質的に同一の構成(例えば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的および効果が同一の構成)を含む。また、本発明は、実施例等で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施例等で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成または同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施例等で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
1 プリンター、10 コントローラー、11 インターフェース部、12 CPU、13 メモリー、14 駆動信号生成部、15 制御信号生成部、16 搬送信号生成部、20 ケーブル、21 巻軸、22 中継ローラー、25 元駆動信号生成部、26 信号変調部、28 信号増幅部、29 信号変換部、30 用紙搬送機構、31a 駆動ローラー、31b 従動ローラー、32 中継ローラー、33 中継ローラー、34a 駆動ローラー、34b 従動ローラー、35 比較器、36 三角波発振器、38 ゲートドライブ回路、39 DAC、40 ヘッドユニット、41 ヘッド、42 プラテン、
51 ワイパー、52 キャップ、53 インク受け部、61 中継ローラー、62 巻取り駆動軸、70 検出器群、80 コンピューター、82 温度検出部、111 印刷データ、112 増幅指示信号、113 ストレージメディア、125 元駆動信号、126 変調信号、128 増幅変調信号、201 選択スイッチ、211 シフトレジスター、212 ラッチ回路、213 レベルシフター、402 インク供給路、404 ノズル連通路、406 弾性板、C コンデンサー、CA キャビティ、CH チャンネル信号、COM 駆動信号、GH ゲート入力信号、GL ゲート入力信号、HC ヘッド制御部、L コイル、LAT ラッチ信号、NZ ノズル、PCOM 駆動パルス、PZT 圧電素子、QH スイッチング素子、QL スイッチング素子、S 用紙、SCK
クロック信号、SI&SP 駆動パルス選択データ、SI 画素データ、SP 波形パターンデータ

Claims (7)

  1. 元駆動信号を生成する元駆動信号生成部と、
    前記元駆動信号を変調して変調信号を生成する信号変調部と、
    前記変調信号を増幅して増幅変調信号を生成する信号増幅部と、
    前記増幅変調信号を駆動信号に変換する信号変換部と、
    前記駆動信号により変形する圧電素子と、
    前記圧電素子の変形によって膨張または収縮するキャビティと、
    前記キャビティに連通し、前記キャビティ内の圧力の増減により液体を吐出するノズルと、
    前記信号変換部の温度を検出する温度検出部と、
    を備えることを特徴とする液体吐出装置。
  2. 前記信号変換部と前記温度検出部とを電気的に接続する経路長は、
    前記信号変換部と前記信号増幅部とを電気的に接続する経路長より短い、
    ことを特徴とする請求項1に記載の液体吐出装置。
  3. 前記温度検出部によって検出された温度に応じて、
    前記元駆動信号生成部、前記信号変調部、前記信号増幅部のうちいずれかの動作を停止することを特徴とする請求項1から2のいずれか1項に記載の液体吐出装置。
  4. 前記温度検出部によって検出された温度に応じて、
    前記元駆動信号生成部、前記信号変調部、前記信号増幅部のうちいずれかの動作を補正することを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の液体吐出装置。
  5. 前記圧電素子は複数あり、
    前記駆動信号は複数の前記圧電素子に印加されることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載の液体吐出装置。
  6. 前記液体吐出装置は、
    ラインヘッドプリンターである請求項1から5のいずれか1項に記載の液体吐出装置。
  7. 前記信号変換部と前記温度検出部との物理的直線距離は、
    前記信号変換部と前記信号増幅部との物理的直線距離より短い、
    ことを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の液体吐出装置。
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