JP4904038B2 - 液体吐出装置及びその制御方法 - Google Patents

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Description

本発明は液体吐出装置及びその制御方法に係り、特にノズルのメニスカス揺らしを行う液体吐出装置及びその制御方法に関する。
従来、ノズル（液体吐出口）のメニスカス（液面）における増粘防止のためにメニスカス揺らしを行う液体吐出装置が知られている。
具体的には、図１２（ａ）に示すように、ノズル５１のメニスカスからは大気圧とインク溶媒の蒸気圧との差に因りインク溶媒が揮発しており、図１２（ｂ）に示すように、ノズル５１内のインクが増粘して固化し、ノズル５１を塞いでしまうことにより、吐出できない状態が生じてしまう。そこで、吐出が行われない休止期間中、ノズル５１のメニスカスをインクが吐出しない程度にわずかに揺らすメニスカス揺らし（メニスカス微振動とも呼ばれる）を、繰り返し行う。
このようなメニスカス揺らしにより、ノズル５１内のインクが攪拌されてメニスカス近傍のインク粘度の上昇が抑えられるだけでなく、図１２（ａ）に示すように、ノズル５１へ至る吐出流路５１２内のインクや、アクチュエータ５８が取りつけられている圧力室５２内のインクが、攪拌される。圧力室５２へインクを供給するインク供給流路９５３および共通流路９５５の一部のインクも攪拌される。
特許文献１には、液滴吐出始点から所定距離だけ待機ポジションに戻った位置で所定の攪拌条件に基づいてメニスカス揺らしを行う液体吐出装置であって、環境温度と環境湿度のうちで少なくとも一方を検出し、微振動用の電気信号を構成するパルス（微振動パルス）の数を増減すること（すなわち微振動時間を増減すること）、微振動用の電気信号の周期を変えること、及び、微振動用の電気信号の振幅を変えることが記載されている。
また、特許文献２には、規定時間以上吐出を行わないノズルのメニスカス揺らしを行う液体吐出装置であって、前記規定時間は、ノズルのメニスカスを空気中にさらしておいてノズルが塞がれる目詰まりが発生するまでの時間の約半分としたものが記載されている。
特許第３４６７６９５号公報 特開平９−２９０５０５号公報
しかしながら、吐出の休止期間中にメニスカス揺らしを繰り返し行うと、メニスカス近傍のインク粘度が暫時的には低下したとしても、低粘度化したノズル５１のメニスカスから溶媒がさらに揮発して、ノズル５１へ至る吐出流路５１２及び圧力室５２を含む流路全体のインク粘度は上昇を続けることになる。そうすると、やがてはメニスカス揺らしをしてもその効果が得られなくなる。したがって、メニスカス揺らしを繰り返し行うと、結局、吐出不可能な状態となる前にパージと呼ばれる空吐出を行う必要がでてくる。
このようなパージによってインク粘度を回復させようとする場合、前述のようにメニスカス揺らしに因り圧力室５２を含む流路全体のインクが増粘した状態では、圧力室５２内のインクも廃棄する必要がある。
図１２（ｃ）において、第１の線９１１は初期の溶媒濃度分布（すなわち共通流路９５５からノズル５１まで溶媒濃度が平均的に初期濃度Ａである分布）を示し、第２の線９１２は所定時間ｔ１経過後の溶媒濃度分布を示し、第３の線９１３はｔ２（＞ｔ１）経過後の溶媒濃度分布を示す。これらの溶媒濃度分布を示す線９１１、９１２、９１３に示すように、時間の経過とともに、ノズル５１と比較して圧力室５２の方が溶媒濃度が緩やかに低下する（すなわちインク粘度が緩やかに増加する）にしても、パージの際に、正常な吐出ができるように不良な濃度のインクを廃棄しようとすれば、ノズル５１内のインクに限らずどうしても圧力室５２内のインクも廃棄しなければならない。すなわち、図１２（ｃ）において斜線を引いたパージ量を示す領域９０２の分のインクを廃棄する必要がある。
特に、多数のノズル５１を高密度に配置しようとすると、圧力室５２の容積も小さくなり、メニスカス揺らしを続けると圧力室５２内のインクがすぐに増粘してしまい、パージ間隔が短くなる。また、ノズル数に比例した量のインクを廃棄しなければならない。
図１３を用いて従来の液体吐出装置におけるパージ処理の課題についてさらに詳細に説明しておく。図１３において、横軸は時間ｔであり、縦軸は図１２（ａ）に示すノズル５１のメニスカスから圧力室５２側へ離間した位置９２０の溶媒濃度である。第１の線９２１はメニスカス揺らしを行いパージは行わない場合の前記位置９２０の溶媒濃度の経時変化を示し、第２の線９２２はメニスカス揺らしとパージとを行う場合の前記位置９２０の溶媒濃度の経時変化を示し、第３の線９２３はパージにより回復可能な溶媒濃度の経時変化を示す。吐出直後の初期状態（ｔ＝０）における溶媒濃度Ａからメニスカス揺らしを繰り返すと前述のように溶媒濃度が低下していくので（Ｐ０→Ｐ１）、正常吐出可能な限界の溶媒濃度Ｅとなる直前に、例えば前記溶媒濃度Ｅの近傍の閾値ｔｈＥまで低下したとき、パージを行う。このようなパージを行うと、溶媒濃度が回復する（Ｐ１→Ｐ２）。その後、連続的なメニスカス揺らしとパージとが繰り返えされる（Ｐ２〜Ｐ９）。このようにパージを繰り返し行う必要があるので、図１２（ｃ）に示すパージ量９０２分のインクが繰り返しノズル５１から廃棄されることになる。また、パージにより回復可能な溶媒濃度は第３の線９２３に示すように徐々に低下してしまうので、吸引などの本格的なメンテナンス動作により、溶媒濃度を初期化する必要がある（Ｐ９→Ｐ１０）。パージ中やメンテナンス動作中は本来の吐出ができない。すなわち印刷できない待ち時間ができてしまうことになる。また、パージよりも吸引の方が一般に所要時間が長い。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、ノズルのメニスカスにおける液体の揮発量を低減できるとともに、パージなどによる液体の浪費を抑えることができる液体吐出装置およびその制御方法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、本発明は、液体を吐出するノズルと、前記ノズルに連通する圧力室と、前記圧力室の液体に加える圧力を発生するアクチュエータであって、前記ノズルから液体を吐出させる液体吐出駆動、および、前記ノズルから液体が吐出しない程度に前記ノズルのメニスカスを揺らすメニスカス揺らし駆動を行うアクチュエータと、前記ノズルのメニスカス近傍の液体の増粘状態を判別する増粘状態判別部であって、前記ノズルのメニスカスにおける液体の揮発量、前記液体の溶媒濃度及び前記液体の粘度のうちで少なくともひとつに基づいて、前記ノズルから液体の吐出が可能であって前記ノズルのメニスカス揺らしが不要な第１の増粘状態と、前記ノズルから液体の吐出は可能であるが前記ノズルのメニスカス揺らしが必要な第２の増粘状態と、前記ノズルから液体の吐出は不可能であるが前記ノズルのメニスカス揺らしを行うと前記第１の増粘状態に回復可能な第３の増粘状態とを判別する増粘状態判別部と、前記ノズルから液体の吐出を行う場合には、前記第１の増粘状態であれば前記ノズルのメニスカス揺らしを行わないで前記ノズルから液体を吐出する一方で、前記第２の増粘状態及び前記第３の増粘状態のいずれかであれば前記ノズルのメニスカス揺らしを行った後に前記ノズルから液体を吐出し、前記ノズルから液体の吐出を行わない場合には、前記第１の増粘状態及び前記第２の増粘状態のいずれかであれば前記ノズルのメニスカス揺らしを行わない一方で、前記第３の増粘状態であれば前記ノズルのメニスカス揺らしを行う制御をする制御部と、を備えたことを特徴とする液体吐出装置を提供する。
この発明によれば、ノズルから液体の吐出を行う場合には、必要に応じてメニスカス揺らし駆動を行なってメニスカス近傍の液体の粘度が回復してから、液体吐出駆動が行われる一方で、ノズルから液体の吐出を行わない場合には、メニスカス揺らしの頻度が抑制されるので、ノズルのメニスカスにおける揮発量が抑えられることになり、パージ（空吐出）の頻度を少なく且つ１回のパージに必要な液体量を低減させ、液体の浪費を抑えることができる。また、パージや吸引の頻度を減らしてもメニスカスの粘度を長期にわたり回復させることができ、パージ間隔や吸引間隔を極めて長くできるので、記録媒体に印刷を行う際の生産性が向上することになる。また、メニスカス揺らし回数を低減させることにもなり、省エネルギーであるとともに、アクチュエータの寿命が延びることにもなる。
また、本発明は、液体を吐出するノズルと、前記ノズルに連通する圧力室と、前記圧力室の液体に加える圧力を発生するアクチュエータであって、前記ノズルから液体を吐出させる液体吐出駆動、および、前記ノズルから液体が吐出しない程度に前記ノズルのメニスカスを揺らすメニスカス揺らし駆動を行うアクチュエータと、前記ノズルのメニスカス近傍の液体の増粘状態を判別する増粘状態判別部と、前記ノズルから液体の吐出を行う場合には、前記メニスカス近傍の液体の増粘状態が前記ノズルから液体を吐出することが不可能な状態となる前に前記アクチュエータを用いて前記メニスカス揺らし駆動を行ってから、前記アクチュエータを用いて前記液体吐出駆動を行う一方で、前記ノズルから液体の吐出を行わない場合には、前記メニスカス近傍の液体の増粘状態が前記ノズルから液体を吐出することが不可能な状態となっても、前記メニスカス揺らし駆動により前記メニスカス近傍の液体の粘度が回復可能である間は前記ノズルから液体の吐出を行う場合と比較して前記メニスカス揺らし駆動の頻度を低減して前記アクチュエータにより前記メニスカス揺らし駆動を行う制御部と、を備えたことを特徴とする液体吐出装置を提供する。
この発明によれば、ノズルから液体の吐出を行う場合には、メニスカス揺らし駆動を行なってメニスカス近傍の液体の粘度が回復してから、液体吐出駆動が行われる一方で、ノズルから液体の吐出を行わない場合には、液体の吐出が不可能な増粘状態となってもメニスカス揺らし駆動によりメニスカス近傍の液体の粘度が回復可能である間はメニスカス揺らしの頻度が抑制されるので、ノズルのメニスカスにおける揮発量が最小限に抑えられることになり、パージ（空吐出）の頻度を極めて少なく且つ１回のパージに必要な液体量を低減させ、液体の浪費を抑えることができる。また、パージや吸引の頻度を減らしてもメニスカスの粘度を長期にわたり回復させることができ、パージ間隔や吸引間隔を極めて長くできるので、記録媒体に印刷を行う際の生産性が向上することになる。また、メニスカス揺らし回数を低減させることにもなり、省エネルギーであるとともに、アクチュエータの寿命が延びることにもなる。
一実施形態において、前記増粘状態判別部は、前記ノズルのメニスカス近傍の液体の増粘状態を実測により判別することを特徴とする。
一実施形態において、前記ノズルのメニスカスから溶媒が揮発するための揮発条件を取得する手段と、前記揮発条件を取得する手段によって取得された揮発条件と前記ノズルのメニスカス近傍の増粘状態との対応関係を示す情報を数式または表として記憶する記憶部と、を備え、前記増粘状態判別部は、前記揮発条件取得手段によって取得された揮発条件と、前記記憶部に記憶された情報とに基づいて、前記増粘状態を判別することを特徴とする。
一実施形態において、前記圧力室、前記圧力室から前記ノズルに至る流路、および、前記ノズルのうちで少なくともひとつの内圧を検出する圧力センサを備え、前記増粘状態判別部は、前記圧力センサの検出結果に基づいて前記増粘状態を判別することを特徴とする。
一実施形態において、前記ノズルの近傍に、前記液体の溶媒濃度を検出する濃度センサが配置され、前記増粘状態判別部は、前記濃度センサの検出結果に基づいて前記増粘状態を判別することを特徴とする。
また、本発明は、液体を吐出するノズルのメニスカス近傍の液体の増粘状態について、ノズルのメニスカスにおける液体の揮発量、前記液体の溶媒濃度及び前記液体の粘度のうちで少なくともひとつに基づいて、前記ノズルから液体の吐出が可能であって前記ノズルのメニスカス揺らしが不要な第１の増粘状態と、前記ノズルから液体の吐出は可能であるが前記ノズルのメニスカス揺らしが必要な第２の増粘状態と、前記ノズルから液体の吐出は不可能であるが前記ノズルのメニスカス揺らしを行うと前記第１の増粘状態に回復可能な第３の増粘状態とを判別し、前記ノズルから液体の吐出を行う場合には、前記第１の増粘状態であれば前記ノズルのメニスカス揺らしを行わないで前記ノズルから液体を吐出する一方で、前記第２の増粘状態及び前記第３の増粘状態のいずれかであれば前記ノズルのメニスカス揺らしを行った後に前記ノズルから液体を吐出し、前記ノズルから液体の吐出を行わない場合には、前記第１の増粘状態及び前記第２の増粘状態のいずれかであれば前記ノズルのメニスカス揺らしを行わない一方で、前記第３の増粘状態であれば前記ノズルのメニスカス揺らしを行うことを特徴とする液体吐出装置の制御方法を提供する。
また、本発明は、液体を吐出するノズルのメニスカス近傍の液体の増粘状態を判別し、前記ノズルから液体の吐出を行う場合には、前記メニスカス近傍の液体の増粘状態が前記ノズルから液体を吐出することが不可能な状態となる前に前記ノズルから液体が吐出しない程度に前記ノズルのメニスカス揺らしを行ってから、前記ノズルから液体を吐出させる一方で、前記ノズルから液体の吐出を行わない場合には、前記メニスカス近傍の液体の増粘状態が前記ノズルから液体を吐出することが不可能な状態となっても、前記メニスカスを揺らしにより前記メニスカス近傍の液体の粘度が回復可能である間は前記ノズルから液体の吐出を行う場合と比較して前記メニスカス揺らしの頻度を低減して前記メニスカス揺らしを行うことを特徴とする液体吐出装置の制御方法を提供する。
本発明によれば、ノズルのメニスカスにおける揮発量を低減できるとともに、パージや吸引の頻度を少なくして液体の浪費を抑えることができる。
以下、添付図面に従って、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明する。
[画像形成装置の全体構成]
図１は、本発明に係る液体吐出装置の一例としての画像形成装置の全体構成を示すブロック図である。
図１に示す画像形成装置１０は、主として、通信インターフェース１１１、メモリ１１２、１５１、システムコントローラ１１３、搬送部１１４、搬送制御部１１５、給液部１１６、給液制御部１１７、ヘッドコントローラ１５０、ドットデータ生成部１５２、アクチュエータ駆動部１５３、アクチュエータ選択部１５４、センサ選択部１５５、センサ信号処理部１５６、吐出異常検出部１５７、タイマ１６１、増粘状態判別部１６２、および、吐出有無判定部１６３を含んで構成されている。
通信インターフェース１１１は、ホストコンピュータ３００から送られてくる画像データを受信する画像データ入力手段である。通信インターフェース１１１には、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）、ＩＥＥＥ１３９４などの有線、又は、無線のインターフェースを適用することができる。
ホストコンピュータ３００から送出された画像データは通信インターフェース１１１を介して画像形成装置１０に取り込まれ、システムコントロール用のメモリ１１２に一旦記憶される。
なお、画像データの入力態様は、ホストコンピュータ３００との通信により画像データが入力される場合に特に限定されるものではない。例えば、メモリカードや光ディスクなどのリムーバブルメディアから画像データを読み込むことにより画像データが画像形成装置１０に入力されるようにしてもよい。
システムコントローラ１１３は、マイクロコンピュータ及びその周辺回路等から構成され、所定のプログラムに従って画像形成装置１０の全体を制御する主制御手段である。すなわち、システムコントローラ１１２は、通信インターフェース１１１、システムコントロール用のメモリ１１２、搬送制御部１１５、給液制御部１１７、ヘッドコントローラ１５０等の各部を制御する。
搬送部１１４は、紙などの記録媒体を所定の搬送路上で搬送するものである。例えば、記録媒体を吸引して載置する搬送ベルト、その搬送ベルトを駆動する搬送ローラ及び搬送モータを含んで構成される。
搬送制御部１１５は、システムコントローラ１１３からの指示に従って搬送部１１４を駆動するドライバ（駆動回路）である。
搬送部１１４は、搬送制御部１１５により制御され、記録媒体と液体吐出ヘッド５０とを、記録媒体の搬送方向（副走査方向）において、相対的に移動させる。
給液部１１６は、液体吐出ヘッド５０にインクを供給するものである。給液部１１６は、例えば、画像形成装置１０に着脱自在に装着されたインクカートリッジ等のインクタンクから液体吐出ヘッド５０に至る管路、及び、ポンプ等からなる。
給液制御部１１７は、システムコントローラ１１３からの指示に従って給液部１１６を制御し、これによりインクカートリッジ等のインク貯蔵部から液体吐出ヘッド５０に対してインクが供給される。
ヘッドコントローラ１５０は、マイクロコンピュータおよびその周辺回路等から構成され、所定のプログラムおよびシステムコントローラ１１３からの指示に従って、液体吐出ヘッド５０によるインクの吐出、後述のメニスカス揺らし、後述のメンテナンス動作、各種の履歴情報の作成など、各種の処理を制御する。
ドットデータ生成部１５２は、ヘッドコントローラ１５０の指示に従い、画像データからドットデータを生成するものである。画像データは、通信インターフェース１１１などにより画像形成装置１０に入力されてメモリ１１２に記憶されている。ドットデータは、吐出されるドットの配置などを示すデータである。ドットのサイズが可変である場合には、ドットデータは、ドットの配置に加えて、吐出されるドットのサイズを示す。生成されたドットデータはヘッドコントロール用のメモリ１５１に記憶される。
アクチュエータ駆動部１５３は、ヘッドコントローラ１５０の指示に従い、液体吐出ヘッド５０のアクチュエータ５８に供給される所定の駆動信号を生成する。生成された駆動信号は、アクチュエータ選択部１５４に対して出力される。
ヘッドコントローラ１５０は、ドットデータ生成部１５２によって生成されたドットデータに基づいて、液体吐出ヘッド５０内に２次元配列されている全てのアクチュエータ（後述する図３の５８）の中から駆動信号を与えるアクチュエータを決定し、駆動信号を与えるアクチュエータ５８を示すアクチュエータ選択信号を生成する。生成されたアクチュエータ選択信号は、アクチュエータ選択部１５４に対して出力される。このようなアクチュエータ選択信号は、アクチュエータ駆動部１５３によって生成された駆動信号と同期してアクチュエータ選択部１５４に与えられるようになっている。
アクチュエータ選択部１５４は、スイッチ回路を含んで構成されている。アクチュエータ選択部１５４は、ヘッドコントローラ１５０から出力されたアクチュエータ選択信号に基づいて、アクチュエータ５８を選択し、アクチュエータ駆動部１５３によって生成された駆動信号を与える。
アクチュエータ選択部１５４から駆動信号を与えられた液体吐出ヘッド５０のアクチュエータ５８は、液体吐出ヘッド５０のノズル（後述する図２および図３の５１）からインクを吐出させる。
このような液体吐出ヘッド５０による記録媒体に向けたインクの吐出と並行して、ヘッドコントローラ１５０は、ドットデータ生成部１５２によって生成されたドットデータに基づいて、液体吐出ヘッド５０内に２次元配列されている全ての圧力センサ（後述する図３の７０）の中から吐出異常検出のための圧力検出を行う圧力センサ７０を決定し、その決定された圧力センサ７０を示すセンサ選択信号を生成する。生成されたセンサ選択信号は、センサ選択部１５５に対して出力される。
センサ選択部１５５は、スイッチ回路を含んで構成されている。センサ選択部１５５は、ヘッドコントローラ１５０から出力されたセンサ選択信号に基づいて圧力センサ７０を選択する。液体吐出ヘッド５０内の各圧力センサ７０は、対応する圧力室（後述する図２および図３の５２）の内圧を検出して、圧力検出信号を出力する。
センサ選択部１５５は、選択した圧力センサ７０からの圧力検出信号をセンサ信号処理部１５６に対して出力する。
センサ信号処理部１５６によって信号処理された圧力検出信号は、圧力検出データとしてヘッドコントロール用のメモリ１５１に記憶される。
吐出異常検出部１５７は、メモリ１５１に記憶された圧力検出データに基づいて、圧力検出対象の圧力室５２に対応するノズル５１から正常に吐出が行われているか否かを判定する。このような吐出異常検出部１５７による判定の結果は、ヘッドコントローラ１５０を経由してシステムコントローラ１１３に伝えられる。
タイマ１６１は、インクの吐出に係る時間、後述のメニスカス揺らしに係る時間、後述のパージや吸引などのメンテナンス動作に係る時間などの各種の時間を測定する。例えば、液体吐出ヘッド５０が有する複数のノズル（後述する図２および図３の５１）について、各ノズル５１ごとに、吐出後の経過時間、吐出間隔、ノズル５１のメニスカス（液面）揺らし後の経過時間、メニスカス揺らし間隔、液体吐出ヘッド５０のメンテナンス動作後の経過時間、メンテナンス動作間隔を測定する。なお、メニスカス揺らしおよびメンテナンス動作については、後に詳説する。
測定された時間に基づいて、ヘッドコントローラ１５０またはシステムコントローラ１１３が吐出履歴情報、メニスカス揺らし履歴情報、および、メンテナンス動作履歴情報を作成し、メモリ１５１、１１２に記憶させる。
増粘状態判別部１６２は、液体吐出ヘッド５０のノズルのメニスカス近傍のインクの増粘状態を判別する。本実施形態における増粘状態判別部１６２は、具体的には、各ノズルごとに、ノズルのメニスカスにおける液体の揮発量、溶媒濃度及び粘度のうちで少なくともひとつを特定し、この特定の結果に基づいて増粘状態を判別する。ここで、インクは着色剤（色材）と溶媒を含み、メニスカスから揮発するのは溶媒の方である。なお、増粘状態の判別態様については後に詳説する。
吐出有無判定部１６３は、液体吐出ヘッド５０が有する複数のノズルについて、各ノズルごとに、吐出の有無を判定する。本実施形態における吐出有無判定部１６３は、具体的には、ドットデータ生成部１５２によって生成されたドットデータに基づいて、液体吐出ヘッド５０の各ノズルごとに、吐出前に吐出の有無を予知する。
［液体吐出ヘッドの構造］
図２は、液体吐出ヘッド５０の全体構造の一例について概略を示す平面透視図である。
図２において、液体吐出ヘッド５０は、紙などの記録媒体に向けてインクを吐出するノズル５１（吐出口）と、ノズル５１に連通する圧力室５２と、圧力室５２内にインクが供給される開口部としてのインク供給流路５３とを含んでなる複数の圧力室ユニット５４が、２次元配列されて構成されている。なお、図２では、図示の便宜上、一部の圧力室ユニット５４が省略して描かれている。
複数のノズル５１は、主走査方向（本実施形態では記録媒体の搬送方向と略直交する方向である）と、主走査方向に対して所定の角度θをなす斜め方向との２方向に沿って、２次元マトリクス状に配列されている。具体的には、主走査方向に対して角度θをなす斜め方向に沿ってノズル５１が一定のピッチｄで複数配列されていることにより、ノズル５１が主走査方向に沿った一直線上に所定のピッチ「ｄ×cosθ」で配列されたものと等価に取り扱うことができる。このようなノズル配列によれば、例えば主走査方向に沿って例えば１インチ当たり2400個（2400ノズル／インチ）に及ぶような高密度のノズル配列と実質的に同等の構成にできる。すなわち、液体吐出ヘッド５０の長手方向（主走査方向）に沿った直線上に並べられるように投影される実質的なノズルの間隔（投影ノズルピッチ）の高密度化が達成される。図２に示すように２方向に沿ったノズル配列を、２次元マトリクス状のノズル配列と呼ぶことにする。
また、複数のノズル５１に１対１で連通する複数の圧力室５２も、ノズル５１と同様に、２次元マトリクス状に配列されている。
なお、本発明の実施に際して、ノズル５１等の配置構造は、図２に示した例に特に限定されない。例えば、複数のノズル５１が２次元的に配列された短尺の液体吐出ヘッドブロックを千鳥状に配列して繋ぎ合わせることで、記録媒体の全幅に対応する長さのノズル列を有する液体吐出ヘッドを構成してもよい。
図２に示すようなノズル配列によって、主走査方向（記録媒体の搬送方向と略直交する方向）に記録媒体の全幅に対応する長さにわたるノズル列を備えるフルライン型の液体吐出ヘッドを構成することができる。
図２の液体吐出ヘッド５０の一部について、図３にノズル面５０Ａと垂直に切断した断面を示す。
図３において、液体吐出ヘッド５０は、複数のプレート５０１、５０２、５０３、５０４、５６、５０５、９２が積層されて形成されている。
複数のノズル５１（吐出口）が２次元マトリクス状に配列されて形成されているノズルプレート５０１の上には、複数のノズル５１にそれぞれ連通する複数の吐出流路５１２が形成されているノズル連通プレート５０２が積層されている。ノズル連通プレート５０２は、例えばＳＵＳによって形成されている。
また、ノズル連通プレート５０２の上には、圧力センサ７０が形成されている圧力センサプレート５０３が積層されている。
圧力センサ７０は、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）などの圧電材料からなる圧力検出用の圧電体層７１（以下単に「圧電体」という）を、圧電体７１の厚さ方向において、金属などの導電性材料からなる電極層７２（以下単に「電極」という）が挟んで構成されている。
圧力検出用の圧電体７１は、後述の圧力室形成プレート５０４に形成されている圧力室５２の内圧の変化に応じて歪みを生じる。このような圧電体７１を挟む電極７２は、圧電体７１の歪みに応じて電荷が誘導される。したがって、圧力センサ７０の電極７２から、圧力室５２の内圧に応じた電圧（以下「圧力検出信号」という）が出力される。この圧力検出信号は、図示を省略した配線および図１のセンサ選択部１５５を介して、図１のセンサ信号処理部１５６に入力される。
なお、圧力センサ７０の両面（上側及び下側）には、図示を省略したが、絶縁層を介して、シールド層が形成されていることが好ましい。このシールド層は、接地し、圧力センサ７０をその外部の電界から遮蔽する。
圧力センサプレート５０３の上には、複数の圧力室５２が形成されている圧力室プレート５０４が積層されている。複数の圧力室５２は、吐出流路５１２を介して複数のノズル５１にそれぞれ連通している。
圧力室プレート５０４の上には、圧力室５２の天面を構成する振動板５６が積層されている。振動板５６は、後述のアクチュエータ５８の共通電極も兼ねている。また、振動板５６には、インク供給流路５３が形成されており、このインク供給流路５３を介して、圧力室５２と振動板５６の上側に形成されている後述の共通液室５５とが連通している。
振動板５６上の圧力室５２に対応する部分には、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸塩）などの圧電材料からなる圧力発生用の圧電体５８ａが形成され、圧電体５８ａの上面には個別電極５７が形成されている。このようにして共通電極である振動板５６と個別電極５７とこれらの電極にその上下を挟まれた圧電体５８ａは、振動板５６と個別電極５７との間に電圧が印加されると変形して圧力室５２内の液体に加える圧力を発生し、圧力室５２の容積を変化させることによりノズル５１からインクを吐出させるアクチュエータ５８を構成している。なお、振動板５６は接地されており、実際には、個別電極５７に図１のアクチュエータ駆動部１５３から出力された駆動信号が印加されることにより、アクチュエータ５８が駆動されるようになっている。
また、振動板５６（共通電極）、圧電体５８ａ及び個別電極５７からなるアクチュエータ５８の上部には、圧電体５８ａの動作を阻害しないように、またアクチュエータ５８全体を保護するために、空隙５８ｂが設けられている。この空隙５８ｂは、圧電体５８ａ及びその上に形成されている個別電極５７を完全に覆うように各アクチュエータ５８ごとに筐体５８ｃを設けることによって形成されている。また、筐体５８ｃの表面には、絶縁保護層９８が形成されている。なお、絶縁保護層９８のみでこの筐体５８ｃを形成するようにしてもよい。
個別電極５７の一端部は、外側へ引き出され、電極パッド５９（内部電極パッド）が形成されている。この電極パッド５９の上には垂直に柱状電気配線９０（エレキ柱）が共通液室５５を貫通するように形成されている。
柱状電気配線９０の上部には、多層フレキシブルケーブル９２が形成されており、多層フレキシブルケーブル９２に形成されている図示を省略した各配線が各柱状電気配線９０に電極パッド９０ａ（外部電極パッド）を介して接続し、各アクチュエータ５８を駆動するための電気信号（駆動信号）がそれぞれの柱状電気配線９０を通じて各アクチュエータ５８の個別電極５７に供給されるようになっている。
また、振動板５６と多層フレキシブルケーブル９２との間の柱状電気配線９０（エレキ柱）が林立する空間は、圧力室５２に供給するためのインクをプールする共通液室５５となっており、ここにはインクが充満するため、柱状電気配線９０や多層フレキシブルケーブル９２等のインクに接する表面部分にも絶縁保護層９８が形成されている。
本実施形態の液体吐出ヘッド５０において、従来は振動板５６に対して圧力室５２と同じ側に配置していた共通液室５５を振動板５６の上側に配置し、すなわち圧力室５２とは反対側に共通液室５５を配置した背面供給流路構造としたため、共通液室５５のサイズを大きくすることができて圧力室５２にインクを確実に供給することができ、ノズル５１の高密度化を達成することができるとともに高密度化した場合においても高周波での駆動が可能となる。
また、各アクチュエータ５８の個別電極５７への配線を個別電極５７の電極パッド５９から垂直に立ち上げ共通液室５５を貫通するようにしたため、駆動信号を各アクチュエータ５８に供給するための配線を高密度化することが可能となった。
また、共通液室５５を振動板５６の上に配置したため、圧力室５２からノズル５１までの吐出流路５１２の長さを従来よりも短くすることができ、高密度化した場合であっても、高粘度インク（例えば２０ｃｐ〜５０ｃｐ程度）の吐出が可能である。また、共通液室５５を振動板５６の上に配置するとともに共通液室５５と圧力室５２とを真っ直ぐなインク供給流路５３で繋いでいるので、吐出後の迅速なリフィルが可能である。
なお、本実施形態において、アクチュエータ５８は、ノズル５１からのインクの吐出に用いられるとともに、ノズル５１のメニスカスをインクが吐出しない程度の振幅および周波数で揺らすメニスカス揺らしにも用いられる。このようなメニスカス揺らしはメニスカス微振動とも呼ばれる。メニスカス揺らしの制御処理については後に詳説する。
また、本実施形態において、圧力室５２の壁面に配置された圧力センサ７０は、各ノズル５１ごとの吐出異常検出に用いられるとともに、メニスカス揺らしを行うか否か判断するために各ノズル５１ごとの揮発量検出（あるいは、溶媒濃度検出またはインク粘度検出）に用いることも可能である。
なお、圧力センサ７０を配置する位置は、圧力検出対象の圧力室５２の下方に特に限定されない。例えば、圧力室５２の側壁に圧力センサ７０を配置してもよい。ただし、圧力室５２を２次元的に且つ高密度に配置するためには、圧力室５２の側方に圧力センサ７０が配置されているよりも、圧力室５２の下方に圧力センサ７０が配置されている方が、好ましい。また、ノズル５１の吐出状態を的確に判定するには、図３に示すようにノズル５１の近傍に圧力センサ７０が配置されていることが、好ましい。また、圧力センサ７０は圧力室５２の内圧を検出する構成に限らず、吐出流路５１２やノズル５１の内圧を検出する構成でもよい。
また、圧力センサ７０の圧電体７１の形状は、平板状に限定されるものではない。ただし、圧力センサ７０を圧力室５２とノズル５１との間に設けた場合、アクチュエータ５８によって発生された圧力に対する吐出の即応性を低下させないように、薄板からなる圧電材料を圧電体７１として用いて、圧力室５２からノズル５１の吐出面までの距離を短くすることが、好ましい。
［インク供給系およびメンテナンス系］
図４は、画像形成装置１０におけるインク供給系およびメンテナンス系の構成を示した概要図である。
インクタンク６０は、液体吐出ヘッド５０にインクを供給するための基タンクである。インクタンク６０と液体吐出ヘッド５０を繋ぐ管路６５０（インク供給管路）の中間には、異物や気泡を除去するためにフィルタ６２が設けられている。
また、画像形成装置１０には、長期の吐出休止期間におけるノズル５１のメニスカスの乾燥を防止又はメニスカス近傍のインク粘度の上昇を防止する手段としてのキャップ６４と、ノズル面５０Ａを清掃する手段としてのクリーニングブレード６６とが設けられている。
これらのキャップ６４及びクリーニングブレード６６を含むメンテナンスユニットは、図示を省略した移動機構によって液体吐出ヘッド５０に対して相対移動可能であり、必要に応じて所定の退避位置から液体吐出ヘッド５０の下方のメンテナンス位置に移動されるようになっている。
また、キャップ６４は、図示しない昇降機構によって液体吐出ヘッド５０に対して相対的に昇降される。昇降機構は、キャップ６４を所定の上昇位置まで上昇させ、液体吐出ヘッド５０に密着させることにより、ノズル面５０Ａの少なくともノズル領域をキャップ６４で覆うようになっている。
また、好ましくは、キャップ６４の内側が仕切壁によってノズル列に対応した複数のエリアに分割されており、これら仕切られた各エリアをセレクタ等によって選択的に吸引できる構成とする。
クリーニングブレード６６は、ゴムなどの弾性部材で構成されており、図示を省略したクリーニングブレード用の移動機構により液体吐出ヘッド５０のインク吐出面（ノズル面５０Ａ）において摺動可能である。ノズル面５０Ａにインク液滴又は異物が付着した場合、クリーニングブレード６６をノズル面５０Ａにおいて摺動させることでノズル面５０Ａを拭き取り、ノズル面５０Ａを清掃するようになっている。
吸引ポンプ６７は、液体吐出ヘッド５０のノズル面５０Ａをキャップ６４が覆った状態で、その液体吐出ヘッド５０のノズル５１からインクを吸引し、吸引したインクを回収タンク６８へ送液する。
このような吸引動作は、画像形成装置１０にインクタンク６０が装填されてインクタンク６０から液体吐出ヘッド５０へインクを充填するとき（初期充填時）のほか、長時間停止して粘度が上昇したインクを除去するとき（長時間停止の使用開始時）にも行われる。
ここで、ノズル５１からの吐出について整理しておくと、第１に、紙などの記録媒体に画像形成するために記録媒体に向けて行う通常の吐出があり、第２に、キャップ６４をインク受けとしてそのキャップ６４に向けて行うパージ（空吐出ともいう）がある。
また、液体吐出ヘッド５０のノズル５１や圧力室５２内に気泡が混入したり、ノズル５１内のインクの粘度上昇があるレベルを超えたりすると、前述の空吐出ではインクをノズル５１から吐出できなくなるので、液体吐出ヘッド５０のノズル面５０Ａにキャップ６４を当てて液体吐出ヘッド５０の圧力室５２内の気泡が混入したインク又は増粘したインクを吸引ポンプ６７で吸引する動作が行われる。
なお、本実施形態の画像形成装置１０では、以下に詳説するメニスカス揺らしの制御処理を行うので、パージや吸引の頻度は極めて少なくて済む。
［メニスカス揺らしの制御処理］
本実施形態におけるメニスカス揺らしの制御処理について以下詳細に説明する。
本実施形態におけるメニスカス揺らしは、ノズル５１のメニスカスから揮発するインク溶媒の量（以下「溶媒揮発量」と称する）を最小限に抑えて、ノズル５１のみでなく、圧力室５２も含めて、液体吐出ヘッド５０全体のインクの増粘を最小限に抑えるように行う。
このようにインクの増粘を最小限に抑えるには、具体的には、ノズル５１のメニスカスからインク溶媒が揮発する条件（揮発条件）に基づいて、メニスカス近傍のインクの増粘状態を判別し、メニスカス揺らしを最小限行うように制御する。例えば、溶媒揮発量を推定または実測し、この溶媒揮発量に基づいてメニスカス揺らしを最小限に行うように制御する。ここで、溶媒揮発量は、吐出休止状態における溶媒濃度の時間的変化と相関関係にあるので、直接的に溶媒濃度に基づいてメニスカス揺らしを最小限に行うように制御してもよい。また、溶媒揮発量は、吐出休止状態におけるメニスカス近傍のインク粘度の時間的変化と相関関係にあるので、直接的にインク粘度に基づいてメニスカス揺らしを最小限に行うように制御してもよい。
ここで、メニスカス揺らしを最小限行うというのは、溶媒の揮発によりメニスカス近傍の溶媒濃度が下がって（すなわちインク粘度が上がって）、ノズル５１から液体を吐出できない状態になるとしても、メニスカス揺らしを行うことで正常な吐出が可能な状態（好ましくは、吐出に適した状態もしくは許容される状態）に回復可能な限界の溶媒濃度（あるいはインク粘度）となるまで、メニスカス揺らしを行わないように抑制することである。
なお、メニスカス近傍のインク粘度が高くなっても液体を吐出できる限界の溶媒濃度を、「吐出可能限界濃度」と以下称する。また、前述のようにメニスカス近傍のインク粘度が高すぎて液体の吐出は不可能であるがメニスカス揺らしを行うことで吐出可能な状態に回復可能な限界の溶媒濃度を、「回復可能限界濃度」と以下称する。
なお、本実施形態においては、メニスカス揺らしを最小限行い、これにより「吐出可能限界濃度」よりも「回復可能限界濃度」は低い。言い換えると、吐出可能な限界のインク粘度よりもメニスカス揺らしにより回復可能な限界のインク粘度は高い。
図５は、本実施形態におけるメニスカス揺らしの制御処理の説明に用いる説明図である。
図５において、横軸は時間ｔを示し、左縦軸はメニスカス近傍のインク溶媒の濃度（溶媒濃度）を示す。また、Ａは初期の溶媒濃度であり、Ｂは前述の「吐出可能限界濃度」であり、Ｃは前述の「回復可能限界濃度」である。また、第１の閾値ｔｈＢ（Ａ＞ｔｈＢ＞Ｂ）は、吐出可能限界濃度Ｂの近傍に設定されており、第２の閾値ｔｈＣ（Ａ＞ｔｈＣ＞Ｃ）は、回復可能限界濃度Ｃの近傍に設定されている。
図５中に実線で示す溶媒濃度移動線ＭＤ１、ＭＤ２は、メニスカス近傍の溶媒濃度の経時変化を示す。なお、各時間の溶媒濃度は、ＭＤ１、ＭＤ２上の該当する時間の点を左縦軸上に投影して得られる。また、図５中に点線で示すインク粘度線ＭＶ１、ＭＶ２は、メニスカス近傍のインク粘度の経時変化を示しており、ＭＤ１、ＭＤ２にそれぞれ対応している。なお、各時間のインク粘度は、ＭＶ１、ＭＶ２上の該当する時間の点を右縦軸上に投影して得られる。
まず、第１の溶媒濃度移動線ＭＤ１（点Ｄ０→点Ｄ１→点Ｄ２１→点Ｄ３１）を用いて吐出を行わない場合の溶媒濃度の経時変化について説明する。
液体吐出直後の初期時（ｔ＝０）、すなわち図５の点Ｄ０では、図６（ａ）に示すように、ノズル５１内のインクは増粘しておらず、固化もしていない。メニスカス揺らしを行わないと、図６（ｂ）に示すように、ノズル５１のメニスカスから溶媒が揮発することにより、メニスカス近傍のインク粘度が上昇して、図６（ｃ）に示すように、ノズル５１のメニスカスからの溶媒の揮発量が減る。すなわち、図５の点Ｄ０→点Ｄ１→点Ｄ２１というように吐出後の時間の経過とともに溶媒濃度が低下して、図６（ｄ）に示すように、ノズル５１のメニスカスからの溶媒の揮発量がわずかになる。図５の点Ｄ２１では、ノズル５１から正常なインクの吐出ができない状態（吐出不可能状態）、詳細には吐出休止後の１回目の駆動波形による吐出ができない状態（「発一」ともいう）となっている。このような発一の状態であっても、点Ｄ２１ではメニスカスがまだ軟らかく、メニスカス揺らしを行えば、正常に吐出可能状態に回復する。すなわち、吐出休止後の１回目の駆動波形による吐出が可能な状態に回復する。もしも、このままメニスカス揺らしを行わないで放置すると、やがて図５の点Ｄ９に至り、図６（ｅ）に示すようにノズル５１のメニスカスが固化してしまい、固化したインクを前述した吸引などのメンテナンス動作により強制的に除去しない限り、吐出可能状態に回復しない。
本実施形態においては、図５の第１の溶媒濃度移動線ＭＤ１の点Ｄ０→点Ｄ１→点Ｄ２１で表しているように、メニスカスの溶媒濃度が、初期の溶媒濃度Ａから吐出可能限界濃度Ｂ以下になっても、基本的には、メニスカス揺らしを行わない。すなわち、図６（ａ）に示す初期状態から、図６（ｂ）に示す状態及び図６（ｃ）に示す状態を経て、図６（ｄ）に示す吐出不可能状態となっても、図６（ｅ）に示す回復不可能状態とはならない範囲内であれば、メニスカス揺らしを抑制する。ただし、回復可能限界濃度Ｃの近傍に予め設定した第２の閾値ｔｈＣ（Ｂ＞ｔｈＣ＞Ｃである）よりも低くなったときにメニスカス揺らしを開始する。そうすると、メニスカス揺らしにより、図５の第１の溶媒濃度移動線ＭＤ１の点Ｄ２１→点Ｄ３１に示すように、メニスカス近傍の溶媒濃度は初期濃度Ａの近傍まで回復する。すなわち、図６（ａ）に示すように、ノズル５１のメニスカス近傍のインクがほとんど増粘していない状態にまで回復する。
一方で、メニスカス近傍の溶媒濃度が回復可能限界濃度Ｃ近傍の閾値ｔｈＣまで低下する前に、インクを吐出する必要が生じたときには、メニスカス揺らしを開始して、図５の第２の溶媒濃度移動線ＭＤ２の点Ｄ１→点Ｄ２２に示すように、メニスカス近傍の溶媒濃度を略初期濃度Ａまで回復させた後に、インクの吐出を行う。すなわち、図６（ｆ）に示す回復状態（図６（ａ）の初期状態に相当する）を経て、図６（ｇ）に示す吐出状態になる。
本実施形態においては、メニスカス揺らしを最小限にしか行わないので、メニスカスから揮発する溶媒の量（溶媒揮発量）が従来と比較して小さく、図７に示すように、メニスカス近傍におけるインク溶媒の濃度上昇範囲７５１は狭い。言い換えると、メニスカス近傍の溶媒濃度勾配が大きい。
このように、溶媒揮発量が小さいので圧力室５２内のインク７５２の溶媒濃度の変化（又はインク粘度の変化）が従来と比較して小さい。
具体的には、図８に示すように、圧力室５２へ至る吐出流路５１２の溶媒濃度は圧力室５２に近づくほど低下が緩やかになり、また、圧力室５２内の溶媒濃度はほとんど低下しない。すなわち、メニスカス揺らしを行わなくても、吐出流路５１２の圧力室５２側、圧力室５２、及び、これらに連通する共通液室５５の全体の溶媒濃度は、ほとんど低下しないことになる。パージや吸引などのメンテナンス動作を行うにしても、インクの廃棄量は、図８に斜線で示す領域８０２に相当し、わずかで済む。
また、メニスカス揺らしにより回復可能な溶媒濃度の経時変化は、図５に線ＲＤで示すようにとても緩やかになる。したがって、パージや吸引などのメンテナンスの頻度を極めて少なくすることができる。
なお、図５は、メニスカス揺らしにより略初期濃度Ａまでメニスカス近傍の溶媒濃度を回復させる場合を例に示しているが、このような場合に特に限定されず、ＡとＣとの間の所定の溶媒濃度まで回復させるようにしてもよい。例えば、メニスカス揺らし時間を短くする。
溶媒濃度がＣの近傍(例えばｔｈＣ)で保たれるようにする態様もある。
従来技術では常時メニスカス揺らしをしているので、図１２（ｃ）において、ノズル５１のメニスカス近傍の溶媒濃度は時間的変化（Ａ０→Ａ１’→Ａ２’）が緩やかになるが、溶媒濃度が低下する領域９０２は圧力室５２の内部まで到達してしまう。一方で、本発明では、図５に示すように溶媒濃度がｔｈＣになるまでの間、メニスカス揺らしを抑制しているので、図８において、ノズル５１のメニスカス近傍の溶媒濃度は時間的変化（Ａ０→Ａ１→Ａ２）が比較的急激になるが、溶媒濃度が低下する領域９０２をノズル５１のメニスカス近傍の狭い領域８０２にすることが可能となる。したがって、パージで回復する際、インク消費量を低減することが可能となる。
以上説明したメニスカス揺らしの制御処理は、図１に示す画像形成装置１０において、ヘッドコントローラ１５０がタイマ１６１、増粘状態判別部１６２および吐出有無判定部１６３を用いて行う。
図９は、吐出及びメニスカス揺らしを行わない休止時間Ａと、吐出間隔Ｂと、メニスカス揺らし時間Ｃとの関係を示す。
本実施形態の画像形成装置１０では、休止時間Ａ（または吐出間隔Ｂ）、さらには、温度、湿度、溶媒蒸気圧などの後に詳説する揮発条件に応じて、メニスカス揺らし時間Ｃ（またはメニスカス揺らし回数）を特定し、ノズル５１から液体を吐出する必要が生じたときには、メニスカス揺らしを行ってから吐出を行う。
休止時間Ａ（または吐出間隔Ｂ）が長くなると、メニスカス揺らし時間Ｃも一般に長くなるが、休止時間Ａ中にメニスカス揺らしを連続して行う従来と比較して、ノズル５１に連通する圧力室５２内の溶媒濃度の変化が小さいので、メニスカス揺らしによる回復可能な期間が長くなる。
ただし、あまり休止時間Ａ（または吐出間隔Ｂ）が長くなると、メニスカス揺らしで回復できないほどにメニスカス近傍のインクが固化してしまうので、吐出しない場合でも、予め決められた所定の時間または所定の溶媒揮発量を超えたら、メニスカス揺らしを行う。
さらに、所定のメンテナンス周期に一致したときは、メニスカス揺らしの代わりにパージを行うようにしてもよい。
なお、インク組成にもよるが、揮発し易い水を溶媒とした水性インクでは、一般に、休止時間Ａ（または吐出間隔Ｂ）が０．５秒を超えるあたりからメニスカス揺らしの効果があらわれる。
例えば、２ｐｌのインク滴を２０ｋＨｚで連続吐出すると０．２秒で圧力室５２内のインクが入れ替わる場合であって、連続吐出の２．５回に１回の割合で非連続的な吐出を行う場合、圧力室５２内のインクの入れ替わり時間は、略０．５秒になり、吐出によるインク排出量とインク溶媒の揮発量とがほぼバランスする。また、２ｐｌのインク滴を４０ｋＨｚで連続吐出すると０．１秒で圧力室５２内のインクが入れ替わる場合であって、連続吐出の５回に１回の割合で非連続的な吐出を行う場合にも、圧力室５２内のインクの入れ替わり時間は、略０．５秒になり、吐出によるインク排出量とインク溶媒の揮発量とがほぼバランスする。実際には、圧力室５２よりもインク溶媒濃度の低いノズル５１からインクが吐出されるので、上記よりも低い頻度の吐出でインク排出量と溶媒揮発量とがバランスすることになる。このようなバランスをする条件は、圧力室５２やノズル５１に至る吐出流路５１２の形状および寸法、インクの物性、環境条件などの条件により定まる。
つまり、休止時間Ａ（または吐出間隔Ｂ）が０．５秒より短くても、溶媒揮発量とインク排出量とがバランスするよりも閑散的な吐出では、圧力室５２や吐出流路５１２の溶媒濃度が低下し続けてしまい、従来のように吐出休止期間中にメニスカス揺らしを連続して行う方法では、早期にパージが必要な状態になってしまう。
本実施形態では、休止時間Ａ（または吐出間隔Ｂ）が０．５秒よりも短くても、上記バランスする吐出頻度よりも閑散的な吐出では、吐出間隔Ｂおよび吐出排出量にも基づいてメニスカス揺らしを制御することが好ましい。
なお、例えばＡ４の記録媒体を１頁あたり０．５秒程度の高速で印刷する画像形成装置の場合、０．５秒を超えるような閑散的な吐出をするノズルでは、１頁に１吐出程度であり、吐出量に多少の変動があってもドット間の差は画質上は知覚されない。また、記録媒体上で数十ｍｍ程度離れているドット間では、０．５秒程度の閑散的な吐出では同様に吐出量に多少の変動があってもドット間の差は画質上は知覚されない。これらの場合には、メニスカス揺らしを初期の溶媒濃度に回復させるまで続ける必要はなく、緩やかな画質評価条件で許容される範囲内に溶媒濃度が回復したらメニスカス揺らしを停止するようにしてもよい。そうすると、インク溶媒の揮発量を極めて少なく抑えることができる。
図１０は、メニスカス揺らし制御処理の基本的な一例についてその流れを示すフローチャートである。
図１０において、まず、液体吐出ヘッド５０に形成されている複数のノズル５１について、各ノズル５１ごとに、メニスカスにおけるインクの揮発条件を取得する（Ｓ２）。なお、揮発条件には、各種あり、後に詳説する。
次に、液体吐出ヘッド５０に形成されている複数のノズル５１について、各ノズル５１ごとに、インクを吐出するか否かを判別する（Ｓ４）。本実施形態においては、図１のドットデータ生成部１５２によって生成されるドットデータに基づいて、各ノズル５１ごとに吐出の有無を予知する。
また、揮発条件に基づいてノズル５１のメニスカス近傍のインクの増粘状態を判別する（Ｓ１０、Ｓ２０）。
なお、増粘状態の判別方法としては、具体的には、ノズル５１のメニスカスにおける溶媒揮発量（インク揮発量）または溶媒濃度を演算して判別する方法などが挙げられる。
ここでは、正常なインク吐出が可能であってメニスカス揺らしが不要な第１の状態（正常吐出可能状態）、インク吐出は可能であるが、メニスカス揺らしが必要であってメニスカス揺らしを行うと第１の状態（正常吐出可能状態）に回復可能な第２の状態（吐出可能かつ回復可能状態）、及び、インク吐出は不可能であるが、メニスカス揺らしを行うと第１の状態（正常吐出可能状態）に回復可能な第３の状態（吐出不可能かつ回復可能状態）を含む複数の増粘状態のうちでいずれの増粘状態であるかを判別する。
なお、第１の状態における正常なインク吐出とは、吐出休止後の１回目の駆動波形により吐出ができることをいう。
また、第２の状態は、吐出は可能であるが、吐出量や吐出方向等が正常ではなくなるので、回復が必要となる。
また、増粘状態の判別は、具体的には、環境温度、環境湿度、溶媒蒸気圧などの各種の揮発条件に基づいてメニスカスからの溶媒の揮発量を算出し、この揮発量に対応する溶媒濃度と所定の閾値（図５のｔｈＢおよびｔｈＣ）とを比較することにより行われる。また、溶媒濃度を直接的に測定または算出して増粘状態を判別してもよく、溶媒の揮発量に対応するインク粘度を直接的に測定または算出して増粘状態を判別してもよい。
詳細には、インク滴の飛翔速度が許容値以上であるか否か、すなわちインク滴の飛翔速度が所定の許容範囲内であるか否かを、溶媒の揮発量に基づいて判定することにより第１の増粘状態であるか否かを判別する。
インク吐出を行う場合であって、メニスカスの増粘状態が第１の状態（正常吐出可能状態）である場合には、メニスカス揺らしを行うことなく、ノズル５１から液体を吐出させる（Ｓ１４）。
その一方で、インク吐出を行う場合であっても、メニスカスの増粘状態が第２の状態（吐出可能かつ回復可能状態）および第３の状態（吐出不可能かつ回復可能状態）のうちでいずれかの増粘状態である場合には、メニスカス揺らしを行い（Ｓ１２）、メニスカス近傍のインクを第１の状態（正常吐出可能状態）に回復させた後に、ノズル５１から液体を吐出させる（Ｓ１４）。すなわち、ノズル５１からの液体の吐出が不可能となる前にアクチュエータ５８を用いてメニスカス揺らしを行うことによりノズル５１からの液体の吐出が可能な状態にメニスカス近傍のインクの粘度を予め回復させた後、吐出を行う。
メニスカス揺らしの頻度を低減する観点からは、メニスカスからのインク（詳細には溶媒）の揮発によりメニスカス近傍の溶媒濃度が図５に示す吐出可能限界濃度Ｂの近傍の閾値ｔｈＢよりも小さくなったとき、第１増粘状態から第２の増粘状態に遷移したと判別し、メニスカス揺らしを行う。
また、画質を向上させる観点からは、インク滴の飛翔速度が許容値よりも小さいときには、インク滴の飛翔速度が許容値以上となるまで溶媒濃度が上昇する時間だけメニスカス揺らしを行い、その後、吐出を行う。
インク吐出を行わない場合であって、メニスカスの増粘状態が第１の状態（正常吐出可能状態）および第２の状態（吐出可能かつ回復可能状態）のうちでいずれかの増粘状態である場合には、メニスカス揺らしを行わない。インク吐出を行わない場合であって、メニスカスの増粘状態が第３の状態（吐出不可能かつ回復可能状態）である場合には、メニスカス揺らしを行う（Ｓ２２）。これにより、メニスカスを第１の状態（正常吐出可能状態）に回復させる。詳細には、ノズル５１からのインクの吐出が不可能となってもメニスカスを揺らすことによりメニスカス近傍のインクの粘度が回復可能である間はメニスカス揺らしの頻度を抑制し、頻度が抑制された所定のタイミングでアクチュエータ５８を用いてメニスカス揺らしを行うことによりノズル５１からのインクの吐出が可能な状態にメニスカス近傍のインクの粘度を回復させる。
メニスカス揺らしの頻度を低減する観点からは、メニスカスからのインク（詳細には溶媒）の揮発によりメニスカス近傍の溶媒濃度が図５に示す回復可能限界濃度Ｃの近傍の閾値ｔｈＣよりも小さくなったとき、第２の増粘状態から第３の増粘状態に遷移したと判別し、メニスカス揺らしを行う。
なお、メニスカス近傍の溶媒濃度の代わりにメニスカス近傍のインク粘度に基づいてメニスカス近傍の増粘状態を判別してもよい。また、メニスカス近傍の溶媒濃度およびインク粘度は、メニスカスからのインクの揮発量に対応していることから、メニスカスからのインクの揮発量に基づいて増粘状態の判別をしている、すなわち、メニスカスからのインクの揮発量に基づいてメニスカス揺らしを行うか否かの判別をしているということもできる。
［揮発条件取得およびメニスカスの増粘状態判別］
本実施形態の画像形成装置１０は、複数のノズル５１のメニスカスからの溶媒の揮発量に係る条件（揮発条件）を、各ノズル５１ごとに、インクを吐出してから次にインクを吐出するまでの状態（吐出休止状態）、さらには閑散的な吐出状態において、取得して、メニスカス揺らし制御を行う。
揮発条件には各種あり、その代表例を以下に示す。
（揮発条件１）環境温度（特にノズル近傍の温度が好ましい）
（揮発条件２）環境湿度（特にノズル近傍の湿度が好ましい）
（揮発条件３）溶媒蒸気圧
（揮発条件４）インクの攪拌履歴（メニスカス揺らし履歴、メンテナンス動作履歴）
（揮発条件５）インクの吐出履歴
（揮発条件６）ノズルの開口面積
（揮発条件７）インク体積（メニスカス揺らしにより攪拌される範囲内のインクの体積、あるいは、吐出流路５１２、圧力室５２、インク供給流路５３などのメニスカス揺らしによりインクが攪拌される範囲内の全容積）
（揮発条件８）圧力室５２からノズル５１へ至る吐出流路５１２の形状および寸法
（揮発条件９）メニスカス揺らしによるインクの攪拌効率（例えば、形状と攪拌量との対応関係やメニスカス揺らし用の駆動波形と攪拌量との対応関係）
（揮発条件１０）メニスカス揺らし量（例えば、メニスカス揺らし時間、メニスカス揺らし駆動波形の形状・振幅・波長など）
（揮発条件１１）インク物性（例えば、溶媒揮発性、溶媒拡散性、溶媒潜熱、熱伝導性、粘性、粘性の温度依存性など）
（揮発条件１２）インク温度（好ましくは各ノズル５１ごとのノズル５１近傍のインクの温度）
（揮発条件１３）アクチュエータ特性（揺らし力：インクが増粘して抵抗が増え動きにくくなった際のメニスカス揺らしにおけるアクチュエータの駆動力）
（揮発条件１４）液体吐出ヘッド５０と記録媒体との相対速度（例えば記録媒体の搬送速度）
これらの揮発条件をパラメータとして、ノズル５１のメニスカスから揮発する溶媒の揮発量（あるいは、ノズル５１のメニスカス近傍の溶媒濃度またはインク粘度）を、各ノズル５１ごとに求める。
また、前述の揮発条件のうちで、形状、インク物性、アクチュエータ特性などの固定パラメータは、定数や式、表の形にして、図１のメモリ１５１に予め記憶されている。
その一方で、環境温度、環境湿度、溶媒蒸気圧、インク温度、インクの攪拌履歴、インクの吐出履歴などの変化するパラメータ（可変パラメータ）は、画像形成装置１０の稼動中に取得される。
環境温度は、例えば液体吐出ヘッド５０に設けられた温度センサにより検出する。環境湿度は、例えば液体吐出ヘッド５０に設けられた湿度センサにより検出する。溶媒蒸気圧は、環境温度および環境湿度に基づいて求められる。インク温度は、例えば液体吐出ヘッド５０に設けられた温度センサにより検出する。
これらの固定パラメータと可変パラメータに基づいて、メニスカス近傍の溶媒揮発量（あるいは溶媒濃度またはインク粘度）を特定し、メニスカス揺らしのタイミングを決める。
なお、メニスカス近傍の揮発量（あるいは溶媒濃度またはインク粘度）を特定する具体的な態様には、各種ある。
第１に、前述の各種の揮発条件に基づいて、各ノズル５１ごとに揮発量を算出する態様がある。例えば、環境温度、環境湿度、溶媒蒸気圧、インクの攪拌履歴、および、インクの吐出履歴に基づいて、各ノズル５１ごとに算出する。ここで、インクの攪拌履歴およびインクの吐出履歴は、ヘッドコントローラ１５０またはシステムコントローラ１１３によって各ノズル５１ごとに作成され、メモリ１５１または１１２に記憶されたものを用いる。また、タイマ１６によって計時される吐出後の経過時間および吐出間隔、メニスカス揺らし後の経過時間およびメニスカス揺らし間隔、パージ後の経過時間およびパージ間隔、吸引後の経過時間および吸引間隔も、吐出履歴や攪拌履歴に含まれる。前述の揮発条件のうちでひとつまたは複数の揮発条件からなる各種の組み合わせをパラメータとして揮発量を算出する各種の態様がある。
第２に、前述の各種の揮発条件に基づいて、テーブル情報から、各ノズル５１ごとに揮発量を取得する態様がある。
第３に、吐出異常検出用の圧力センサ７０を兼用する態様がある。本実施形態では、図３に示すように、圧力室５２の壁面に設けられた圧力センサ７０により検出される圧力室５２内の圧力に基づいて、各ノズル５１ごとにメニスカスからの溶媒揮発量（あるいは溶媒濃度またはインク粘度）を求める。具体的には、メニスカス近傍のインクが増粘した状態のままで溶媒濃度がほとんど回復しない程度でアクチュエータ５８を用いて圧力室５２内のインクを揺らし、各ノズル１５ごとに検出した圧力センサ７０の出力信号（圧力検出信号）に基づいて、溶媒揮発量を求める。より詳細には、圧力センサ７０によって検出された圧力の経時変化である共振波形を、インクが増粘していないときの正常時の共振波形と比較し、両共振波形の波長の差（あるいは共振点のずれ）および／または振幅の差に基づいて、溶媒揮発量が求められる。このようにして、各ノズル５１ごとに溶媒揮発量が取得されれば、メニスカス揺らしを行う状態か否かを判別できる。
図１１（ａ）は、アクチュエータ５８で圧力室５２内のインクを加圧する状態で、正常時（ここではインク全体の粘度が１０ｃＰであるとき）の共振波形９１５と、増粘時（ここではノズル５１部分のインク粘度が正常時の２倍の２０ｃＰであるとき）の共振波形９１６を示す。なお、アクチュエータ５８に入力される駆動波形９１９も併せて示した。
図１１（ａ）の共振波形９１５、９１６は、具体的には、下記の計算条件において、ノズル部分（下記ノズル長さに相当する部分である）の圧力変化として、計算により求めた。
＜計算条件＞
ノズル直径：３０μｍ
ノズル長さ：３０μｍ
（供給絞り部分もノズルと同形状とする）
圧力室サイズ：０．３ｍｍ×０．３ｍｍ×０．１５ｍｍ
アクチュエータのコンプライアンス：１×１０―２０（ｍ３／Ｐａ）
入力圧力：１Ｍｐａ（片振幅）
パルス幅：１．８７μｓｅｃ
図１１（ａ）に示す共振波形９１５、９１６の共振点である第１ピーク９１５１、９１６１および第２ピーク９１５２、９２６２に基づいて求めた周期及び対数減衰率を、図１１（ｂ）のテーブル情報に示す。このような計算により求めたテーブル情報、あるいは、測定により求めたテーブル情報は、図１の第２メモリ１５１に予め記憶しておく。
ノズル５１のメニスカス近傍のインク粘度は、まず、圧力センサ７０の出力信号（圧力検出信号）を解析して周期及び／又は対数減衰率を求め、次に、解析結果である周期及び／又は対数減衰率を図１１（ｂ）に示すテーブル情報内の数値と比較することにより特定する。具体的には、図１の増粘状態判別部１６２が、センサ信号処理部１５６から出力された共振波形と、第２メモリ１５１に予め記憶されたテーブル情報とに基づいて、メニスカス近傍の溶媒揮発量、溶媒濃度及びインク粘度のうち少なくともひとつを特定する。
第４に、濃度検出センサをノズル５１の近傍（特にメニスカスの近傍が好ましい）に設け、この濃度検出センサにより溶媒濃度を直接検出する態様がある。例えば、電気伝導度により溶媒濃度を検出するセンサを用いる。
以上、主としてメニスカス揺らしにより溶媒濃度の維持（あるいはインク粘度の維持）を行う場合を説明したが、このようなメニスカス揺らしとともに、インクを循環させる手段やインクを追加注入する手段を併用してもよい。
本発明は、実施形態において説明した例には限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の設計変更や改良を行ってもよいのはもちろんである。
本発明に係る液体吐出装置の一例としての画像形成装置の全体構成を示すブロック図である。 液体吐出ヘッドの全体構造の一例について概略を示す平面透視図である。 液体吐出ヘッドの内部構造の一例を示す断面図である。 インク供給系およびメンテナンス系の構成を示す概要図である。 メニスカス揺らし制御処理の説明に用いる説明図である。 メニスカス近傍のインクの増粘状態の説明に用いる説明図である。 メニスカス近傍および圧力室内におけるインクの増粘状態の変化の違いの説明に用いる説明図である。 共通液室からノズルまでの各位置における溶媒濃度を示す説明図である。 休止時間Ａと吐出間隔Ｂとメニスカス揺らし時間Ｃとの関係を示す説明である。 メニスカス揺らし制御処理の基本的な一例の流れを示すフローチャートである。 圧力の経時変化およびテーブル情報を示す図である。 従来の液体吐出装置におけるインクの増粘の説明に用いる説明図である。 従来の液体吐出装置におけるメニスカス揺らし、パージおよびメンテナンス動作にともなう溶媒濃度の経時変化を示す図である。
符号の説明
１０…画像形成装置、５０…液体吐出ヘッド、５０Ａ…ノズル面、５１…ノズル、５２…圧力室、５３…インク供給流路、５５…共通液室、５６…振動板、５８…アクチュエータ、６０…インクタンク、６４…キャップ、６６…クリーニングブレード、６７…吸引ポンプ、７０…圧力センサ、１１１…通信インターフェース、１１２，１５１…メモリ、１１３…システムコントローラ、１５０…ヘッドコントローラ、１５２…ドットデータ生成部、１５３…アクチュエータ駆動部、１５４…アクチュエータ選択部、１５５…センサ選択部、１５６…センサ信号処理部、１５７…吐出異常検出部、１６１…タイマ、１６２…増粘状態判別部、１６３…吐出有無判定部、５０１…ノズルプレート、５０２…ノズル連通プレート、５０３…センサプレート、５０４…圧力室プレート、５０５…共通液室プレート、５１２…吐出流路

Claims (10)

  1. 液体を吐出するノズルと、
    前記ノズルに連通する圧力室と、
    前記圧力室の液体に加える圧力を発生するアクチュエータであって、前記ノズルから液体を吐出させる液体吐出駆動、および、前記ノズルから液体が吐出しない程度に前記ノズルのメニスカスを揺らすメニスカス揺らし駆動を行うアクチュエータと、
    前記ノズルのメニスカス近傍の液体の増粘状態を判別する増粘状態判別部であって、前記ノズルのメニスカスにおける液体の揮発量、前記液体の溶媒濃度及び前記液体の粘度のうちで少なくともひとつに基づいて、前記ノズルから液体の吐出が可能であって前記ノズルのメニスカス揺らしが不要な第１の増粘状態と、前記ノズルから液体の吐出は可能であるが前記ノズルのメニスカス揺らしが必要な第２の増粘状態と、前記ノズルから液体の吐出は不可能であるが前記ノズルのメニスカス揺らしを行うと前記第１の増粘状態に回復可能な第３の増粘状態とを判別する増粘状態判別部と、
    前記ノズルから液体の吐出を行う場合には、前記第１の増粘状態であれば前記ノズルのメニスカス揺らしを行わないで前記ノズルから液体を吐出する一方で、前記第２の増粘状態及び前記第３の増粘状態のいずれかであれば前記ノズルのメニスカス揺らしを行った後に前記ノズルから液体を吐出し、前記ノズルから液体の吐出を行わない場合には、前記第１の増粘状態及び前記第２の増粘状態のいずれかであれば前記ノズルのメニスカス揺らしを行わない一方で、前記第３の増粘状態であれば前記ノズルのメニスカス揺らしを行う制御をする制御部と、
    を備えたことを特徴とする液体吐出装置。
  2. 液体を吐出するノズルと、
    前記ノズルに連通する圧力室と、
    前記圧力室の液体に加える圧力を発生するアクチュエータであって、前記ノズルから液体を吐出させる液体吐出駆動、および、前記ノズルから液体が吐出しない程度に前記ノズルのメニスカスを揺らすメニスカス揺らし駆動を行うアクチュエータと、
    前記ノズルのメニスカス近傍の液体の増粘状態を判別する増粘状態判別部と、
    前記ノズルから液体の吐出を行う場合には、前記メニスカス近傍の液体の増粘状態が前記ノズルから液体を吐出することが不可能な状態となる前に前記アクチュエータを用いて前記メニスカス揺らし駆動を行ってから、前記アクチュエータを用いて前記液体吐出駆動を行う一方で、前記ノズルから液体の吐出を行わない場合には、前記メニスカス近傍の液体の増粘状態が前記ノズルから液体を吐出することが不可能な状態となっても、前記メニスカス揺らし駆動により前記メニスカス近傍の液体の粘度が回復可能である間は前記ノズルから液体の吐出を行う場合と比較して前記メニスカス揺らし駆動の頻度を低減して前記アクチュエータにより前記メニスカス揺らし駆動を行う制御部と、
    を備えたことを特徴とする液体吐出装置。
  3. 前記増粘状態判別部は、前記ノズルのメニスカス近傍の液体の増粘状態を実測により判別することを特徴とする請求項１または２に記載の液体吐出装置。
  4. 前記ノズルのメニスカスから溶媒が揮発するための揮発条件を取得する手段と、
    前記揮発条件を取得する手段によって取得された揮発条件と前記ノズルのメニスカス近傍の増粘状態との対応関係を示す情報を数式または表として記憶する記憶部と、を備え、
    前記増粘状態判別部は、前記揮発条件取得手段によって取得された揮発条件と、前記記憶部に記憶された情報とに基づいて、前記増粘状態を判別することを特徴とする請求項１または２に記載の液体吐出装置。
  5. 前記圧力室、前記圧力室から前記ノズルに至る流路、および、前記ノズルのうちで少なくともひとつの内圧を検出する圧力センサを備え、
    前記増粘状態判別部は、前記圧力センサの検出結果に基づいて前記増粘状態を判別することを特徴とする請求項１から４のうちいずれか１項に記載の液体吐出装置。
  6. 前記ノズルの近傍に、前記液体の溶媒濃度を検出する濃度センサが配置され、
    前記増粘状態判別部は、前記濃度センサの検出結果に基づいて前記増粘状態を判別することを特徴とする請求項３に記載の液体吐出装置。
  7. 液体を吐出するノズルのメニスカス近傍の液体の増粘状態について、ノズルのメニスカスにおける液体の揮発量、前記液体の溶媒濃度及び前記液体の粘度のうちで少なくともひとつに基づいて、前記ノズルから液体の吐出が可能であって前記ノズルのメニスカス揺らしが不要な第１の増粘状態と、前記ノズルから液体の吐出は可能であるが前記ノズルのメニスカス揺らしが必要な第２の増粘状態と、前記ノズルから液体の吐出は不可能であるが前記ノズルのメニスカス揺らしを行うと前記第１の増粘状態に回復可能な第３の増粘状態とを判別し、
    前記ノズルから液体の吐出を行う場合には、前記第１の増粘状態であれば前記ノズルのメニスカス揺らしを行わないで前記ノズルから液体を吐出する一方で、前記第２の増粘状態及び前記第３の増粘状態のいずれかであれば前記ノズルのメニスカス揺らしを行った後に前記ノズルから液体を吐出し、
    前記ノズルから液体の吐出を行わない場合には、前記第１の増粘状態及び前記第２の増粘状態のいずれかであれば前記ノズルのメニスカス揺らしを行わない一方で、前記第３の増粘状態であれば前記ノズルのメニスカス揺らしを行うことを特徴とする液体吐出装置の制御方法。
  8. 液体を吐出するノズルのメニスカス近傍の液体の増粘状態を判別し、
    前記ノズルから液体の吐出を行う場合には、前記メニスカス近傍の液体の増粘状態が前記ノズルから液体を吐出することが不可能な状態となる前に前記ノズルから液体が吐出しない程度に前記ノズルのメニスカス揺らしを行ってから、前記ノズルから液体を吐出させる一方で、前記ノズルから液体の吐出を行わない場合には、前記メニスカス近傍の液体の増粘状態が前記ノズルから液体を吐出することが不可能な状態となっても、前記メニスカスを揺らしにより前記メニスカス近傍の液体の粘度が回復可能である間は前記ノズルから液体の吐出を行う場合と比較して前記メニスカス揺らしの頻度を低減して前記メニスカス揺らしを行うことを特徴とする液体吐出装置の制御方法。
  9. 前記ノズルのメニスカス近傍の液体の増粘状態を実測により判別することを特徴とする請求項７または８に記載の液体吐出装置の制御方法。
  10. 前記ノズルのメニスカスから溶媒が揮発するための揮発条件を取得する手段と、前記揮発条件を取得する手段によって取得された揮発条件と前記ノズルのメニスカス近傍の増粘状態との対応関係を示す情報を数式または表として記憶する記憶部と、を用い、
    前記揮発条件取得手段によって取得された揮発条件と、前記記憶部に記憶された情報とに基づいて、前記増粘状態を判別することを特徴とする請求項７または８に記載の液体吐出装置の制御方法。
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