(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズル穴から噴射される液滴の速度を測定する液滴の噴射速度測定システムであって、
ノズル穴から噴射される液滴を照明手段により照明して該液滴を撮像する撮像手段と、噴射から一定時間経過したときに撮像された映像中の基準位置からの液滴の位置を特定する位置特定手段と、ノズル穴の位置および映像中の基準位置の位置関係に基づいて該基準位置からの位置を特定された液滴の速度を算出する演算手段と、を備え、
前記撮像手段は液滴の噴射方向側からノズル穴および液滴を同時に撮像可能に該噴射方向に対して撮像方向を斜めにセットすることにより、
前記位置特定手段はノズル穴から噴射されて撮像された液滴の映像中の位置を特定するとともに該ノズル穴の映像中の位置を特定し、
前記演算手段は特定された映像中のノズル穴および液滴の位置関係に基づいて液滴の速度を算出することを特徴とする液滴の噴射速度測定システム。
【請求項２】
前記演算手段は、前記撮像手段により撮像された液滴の映像から該液滴の体積をも算出することを特徴とする請求項１に記載の液滴の噴射速度測定システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ノズル穴から噴射される液滴の速度を測定する液滴の噴射速度測定システムであって、液滴の速度を簡易な構成により高精度に測定することのできるものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、インク滴（液滴）を飛翔させて画像を形成するインクジェットプリンタが知られており、このインクジェットプリンタは、プリンタヘッドのノズル穴から噴射するインク滴を紙面上に着弾させることにより画像を形成するが、画像の品質の評価項目としてはドット密度、ドット位置精度、濃度ムラ、シャープネス等がある。
【０００３】
この品質項目の一つであるドット密度は、現在のところ３００ＤＰＩ程度が一般的であるが、解像度を上げて高品質な画像を形成するためにはドット間ピッチとドット径を小さく設定して、ドット密度を４００ＤＰＩや６００ＤＰＩ等に上げることが行なわれる。このドット径は、プリンタヘッドから噴射されるインク滴の体積と比例関係にあるとともに、インク滴の噴射速度の増大に伴いドット径も増大する。
【０００４】
また、ドット位置精度は、図10に示すようにプリンタヘッド１が紙面に対して主走査方向に移動するとともに紙面を副走査方向に移動させて画像を形成するので、主・副走査の２方向の成分（Δｘ，Δｙ）に分けて評価することができる。このドット位置精度は、プリンタ本体（不図示）およびプリンタヘッド１の機械的精度とプリンタヘッド１のノズル穴２から噴射されるインク滴５の噴射速度精度の両成分に起因し、機械的精度は比較的小さな誤差となるのに対して、インク滴５の噴射速度精度が大きく影響する。インク滴５の噴射速度精度は、インクの粒子化特性の寄与率が大きく、インク滴５の噴射速度による誤差は、ごみ等の外乱を除けば、ほとんどノズル穴２の加工精度、品質に依存し、主走査方向（Δｙ）のみに現れる。このドット位置精度におけるドット位置ずれの許容値は、通常、ドット間ピッチの１／４〜１／２程度であることから、この許容値は非常に厳しい値となっている。例えば、ドット密度：３００ＤＰＩ、インク滴５を噴射する駆動周波数：５ｋＨｚ、プリンタヘッド１下面から紙面までの距離：１ｍｍの条件でドット位置精度をドット間ピッチの１／３にする場合では、噴射速さの許容幅は５０ｍｍ／ｓｅｃとなる。
【０００５】
このように、高解像度な画像を得るためには、噴射されるインク滴５の体積・噴射速度の精度を高精度に測定してコントロールをする必要がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の画像品質の評価にあっては、プリンタヘッド１をプリンタ本体に組み付けた後にインク滴５を紙面に噴射させて印字を行なって、そのインク滴５によるドット密度やドット位置精度を測定することにより、設定された体積で噴射されたインク滴５の速度を間接的に評価していた。
【０００７】
しかし、この方式では、紙面に印字したときの紙の表面性、にじみ、紙のよれ等による誤差が大きく影響してしまうので、インク滴５の噴射速度精度のみを測定してプリンタヘッド１単体での性能評価を行なうことができない。また、この方式では、インク滴５の体積・噴射速度を分解して測定することができないことから、プリンタ本体の機械的精度やインク滴５の体積・噴射速度の精度の調整を試行錯誤しながら調整するしかなかった。
【０００８】
この問題を解決する方法として、インク滴５を紙面に噴射して印字した画像によりプリンタヘッド１の性能を評価するのではなく、空中に飛翔状態のインク滴５を直接測定する装置を利用することが考えられる。この空中を飛翔する液滴（インク滴）の速度を測定する方式としては、飛翔するインク滴５にレーザ光を照射してそのレーザ光のドップラー効果を利用することにより、そのインク滴５の移動する速度を測定する所謂、レーザドップラー方式があり、この方式を採用する流速計をプリンタヘッド１単体での性能評価に利用することが考えられる。
【０００９】
しかし、このレーザドップラーを利用した流速計は高価であるとともに、上記したようにドット密度を３００ＤＰＩとして画像を形成する場合に要求される噴射速さの許容幅は５０ｍｍ／ｓｅｃであるの対して、その測定精度は±１００ｍｍ／ｓｅｃ程度であり、高精度に測定することができない。
そこで、本発明は、空中を飛翔する液滴の速度を直接測定するシステムを実現することにより、例えば、インクジェットプリンタのプリンタヘッド単体での性能評価を可能にして、容易に調整作業を行ない得るようにすることを目的とする。また、その液滴の飛翔する速度を簡易な構成により容易に測定できるようにすることにより、低コストおよび汎用性に優れたシステムとすることを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的達成のため、請求項１に記載の発明は、ノズル穴から噴射される液滴の速度を測定する液滴の噴射速度測定システムであって、ノズル穴から噴射される液滴を照明手段により照明して該液滴を撮像する撮像手段と、噴射から一定時間経過したときに撮像された映像中の基準位置からの液滴の位置を特定する位置特定手段と、ノズル穴の位置および映像中の基準位置の位置関係に基づいて該基準位置からの位置を特定された液滴の速度を算出する演算手段と、を備え、前記撮像手段は液滴の噴射方向側からノズル穴および液滴を同時に撮像可能に該噴射方向に対して撮像方向を斜めにセットすることにより、前記位置特定手段はノズル穴から噴射されて撮像された液滴の映像中の位置を特定するとともに該ノズル穴の映像中の位置を特定し、前記演算手段は特定された映像中のノズル穴および液滴の位置関係に基づいて液滴の速度を算出することを特徴とするものである。
【００１１】
この請求項１に記載の発明では、ノズル穴の噴射から一定時間経過したときに撮像された液滴の映像中の基準位置からの位置が特定され、ノズル穴および映像中の基準位置の位置関係に基づいて該液滴の速度が算出される。したがって、ノズル穴から噴射された液滴の速度を高精度に測定することができる。
【００１２】
さらに、噴射方向に対して斜め方向から撮像されることによりノズル穴および液滴が同時に撮像され、特定された映像中のノズル穴および液滴の位置関係に基づいて該液滴の速度が算出される。したがって、映像中の基準位置に対するノズル穴の位置を高精度に位置決めしたり測定することを省くことができる。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明の構成に加え、前記演算手段は、前記撮像手段により撮像された液滴の映像から該液滴の体積をも算出することを特徴とするものである。
この請求項２に記載の発明では、速さおよび噴射方向に加えて液滴の映像から該液滴の体積が算出される。したがって、液滴の噴射特性を高精度に測定することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に基づいて説明する。
図１〜図６は本発明に係る液滴の噴射速度測定システムの第１実施形態を示す図であり、本実施形態は、請求項１、２に記載の発明に対応する。
まず、構成を説明する。
【００１５】
図１および図２において、液滴の噴射速度測定システムは、インクジェットプリンタが画像を形成する際にインク滴５をノズル穴２から噴射するプリンタヘッド１の特性評価を行なうように構築されており、プリンタヘッド１から噴射されるインク滴５に光を照射する照明ランプ（照明手段）11と、プリンタヘッド１から噴射されるインク滴５を撮像するＣＣＤカメラ（撮像手段）12と、撮像された映像を取り込んで画像処理をする画像処理装置13と、画像処理された結果に基づいてインク滴５の噴射特性を算出する演算装置14とを備えている。
【００１６】
照明ランプ11およびＣＣＤカメラ12は、インクジェットプリンタは搬送する紙面の上方にノズル穴２を形成されたノズル面３が略１ｍｍの高さｈで離隔して対面するようにヘッド把持部材４にプリンタヘッド１を取り付けるため、その紙面の位置となるノズル面３より距離ｈだけ下方の位置を横方向から撮像するように位置決め固定されており、図10に示すＸ軸またはＹ軸の一方の軸方向に照明方向および撮像方向を一致させて配置されている。このため、ＣＣＤカメラ12による撮像画面Ｗは、図３に示すように、プリンタヘッド１のノズル面３から距離ｈだけ離隔する紙面の位置が上下方向の中心Ｃに、そのノズル穴２の位置が水平方向の中心Ｃになるように設定されている。
【００１７】
また、この照明ランプ11およびＣＣＤカメラ12は、間にノズル穴２を位置させて対向しており、ＣＣＤカメラ12はノズル穴２から噴射されたインク滴５を照明する照明ランプ11からの光を直接取り込むように配設されている。このため、ＣＣＤカメラ12は、インク滴５や背景の色に拘らず、インク滴５の周囲は輝度の高い白色に、インク滴５自体は遮光された部分の輝度の低い黒色となる映像を撮像する。
【００１８】
画像処理装置13は、例えば、ドット密度が３００ＤＰＩの画像を形成する場合には駆動周波数５ｋＨｚでプリンタヘッド１を駆動させてインク滴５をノズル穴２から噴射させることから、同一の条件で紙面の位置のインク滴５の特性を測定するために、ＣＣＤカメラ12を駆動させた状態で、インク滴５が図３に示す撮像画面Ｗ中の中心に到達するタイミング（噴射から一定時間経過したときのタイミング）に同期させて照明ランプ11をストロボ発光させるようになっており、そのタイミングで撮像されたＣＣＤカメラ12の映像を画像処理して映像画面中の中心Ｃを原点（基準位置）としたときのインク滴５中央の位置座標（Δｚ）を特定するとともにインク滴５の直径Ｄを特定するようになっている。すなわち、画像処理装置13が位置特定手段を構成している。なお、照明ランプ11は例えば、１ｋＨｚなどの特定周波数でストロボ発光させて、そのうちのインク滴５が図３に示す撮像画面Ｗ中の中心に到達するタイミングに撮像したＣＣＤカメラ12の映像を使用するようにしてもよい。
【００１９】
演算装置14は、画像処理装置13からインク滴５の映像画面中の中心Ｃに対する位置座標（Δｚ）とインク滴５の直径Ｄを受け取って、後述する演算式によりインク滴５の体積・噴射速さ・噴射方向の噴射特性を算出するようになっており、ＣＣＤカメラ12として通常の撮像倍率で画素長が略１０μｍのものに４倍のレンズを取り付けて計測分解能となる一画素長を略３μｍ程度とすることにより、噴射速さの測定精度を±２０ｍｍ／ｓｅｃとなるように設定されている。この演算処理に用いるプリンタヘッド１のノズル面３（ノズル穴２）からの距離ｈ（紙面までの距離ｈ）は予め実測して設定入力する。なお、距離ｈの測定は、ＣＣＤカメラ12による撮像画面Ｗ中にプリンタヘッド１のノズル面３が入るように倍率を下げることにより撮像された映像を画像処理して距離ｈを実測してもよく、また、スケールをノズル面３に接触させて撮像画面Ｗ中の中心Ｃまでの距離ｈを実測したり、同様に非接触式のレーザ変位計により実測するなどすればよい。
【００２０】
なお、照明ランプ11は、インク滴５が図３に示す撮像画面Ｗ中の中心Ｃに到達するタイミングに同期させてストロボ発光させるが、図４に示すインク滴５ａ、５ｂのようにＣＣＤカメラ12の撮像画面Ｗから外れてしまう可能性や測定対称でないインク滴５の映像により誤測定となってしまう可能性がある。このため、測定を開始する前にその撮像画面Ｗを観察しつつ照明ランプ11のストロボ発光させるタイミング（噴射からの遅延時間）を変化させて、そのタイミングの変化時間と撮像されるインク滴５の位置の変位量とからインク滴５の速度を仮算出してみることにより誤測定となってしまうことを防止する。また、照明ランプ11のストロボ発光させるタイミングを変化させても撮像位置が変化しないごみをインク滴５と誤って特定してしまうことを防止する。
【００２１】
次に、図５に示すフローチャートを用いてプリンタヘッド１が噴射するインク滴５の噴射特性の測定を説明する。なお、照明ランプ11およびＣＣＤカメラ12はヘッド把持部材４にプリンタヘッド１を取り付けたときにはそのノズル面３から撮像画面Ｗの中心Ｃまでの距離ｈが略１ｍｍとなるようにセッティングされている。
【００２２】
まず、プリンタヘッド１をヘッド把持部材４にセットし（ステップＰ１）、撮像を開始したＣＣＤカメラ12の撮像画面Ｗ中の中心Ｃからノズル面３までの距離ｈを実測して、その距離ｈを演算装置14の不図示の操作部から設定入力する（ステップＰ２）。
次いで、プリンタヘッド１を駆動させインク滴５の噴射を開始し、その噴射が安定するまでの時間が経過した後に、インク滴５の噴射から一定時間遅延して図３に示す撮像画面Ｗ中の中心にそのインク滴５が到達するタイミングにストロボ発光するように照明ランプ11を駆動して、そのインク滴５が測定対称であるか（インク滴５の噴射とストロボ発光が同期しているか）を確認する（ステップＰ３）。
【００２３】
次いで、インク滴５の撮像を開始して（ステップＰ４）、１つあるいは幾つかの映像を取り込んだ後にインク滴５の噴射を停止する（ステップＰ５）。なお、インク滴５の撮像回数は、測定確度を高くする場合に複数にして画像処理結果を平均するなどすればよく、プリンタヘッド１のインク滴５の噴射は大きくばらつくものではないことから一つの画像処理結果から算出するだけでもよい。
【００２４】
この後に、インク滴５の体積・噴射速度を算出して噴射特性を測定し（ステップＰ６）、演算処理が終了して撮像や演算処理にエラーが発生していないことを確認した後に、プリンタヘッド１をヘッド把持部材４から取り外して（ステップＰ７）、この処理を終了する。
ステップＰ６における噴射特性の測定は、演算装置14が画像処理装置13から画像処理して特定したインク滴５の直径Ｄと撮像画面Ｗ中の中心Ｃに対する位置座標（Δｚ）を受け取って算出する。なお、このときの測定精度は、装置の計測精度によるので、±３μｍ程度、±２０ｍｍ／ｓｅｃである。
【００２５】
具体的には、インク滴５の体積Ｖは、図６に示すＣＣＤカメラ12の撮像画面Ｗから特定されたインク滴５の直径Ｄを用いて次のように算出する。
Ｖ＝πＤ3／６
また、インク滴５の噴射速さＳは、図６に示すＣＣＤカメラ12の撮像画面Ｗから特定されたインク滴５の位置座標（Δｚ）から求める噴射距離Ｌと噴射からの遅延時間Ｔを用いて、次のように算出する。
【００２６】
Ｌ＝ｈ−Δｚ
Ｓ＝（ｈ−Δｚ）／Ｔ
したがって、インク滴５の体積Ｖについては±３μｍ程度、また噴射速度は±２０ｍｍ／ｓｅｃの測定精度で測定することができ、例えば、ドット密度を３００ＤＰＩとして画像を形成する場合に要求される噴射速さの許容幅（５０ｍｍ／ｓｅｃ）を十分に満足することができる。
【００２７】
このように本実施形態では、プリンタヘッド１のノズル穴２から噴射されたインク滴５を紙面の位置に到達するタイミングで撮像して画像処理し、そのインク滴５の直径Ｄと共に撮像画面Ｗ中の中心Ｃからの位置座標（Δｚ）を特定することにより、インク滴５の直径Ｄからその体積Ｖを算出すると共に、インク滴５、撮像画面Ｗの中心Ｃおよびノズル穴２の位置関係からその噴射速度Ｓを算出することができ、プリンタヘッド１の噴射特性をその各要素毎に高精度に測定することができる。
【００２８】
また、インク滴５が遮光する照明ランプ11からの照明光を取り込んでそのインク滴５の映像を撮像するので、インク滴５が周囲の色と区別することができなくなってしまうことがなく、インクの色に拘らず撮像することができる。
したがって、プリンタヘッド１の噴射特性を確認するシステムを、照明ランプ11と、ＣＣＤカメラ12と、画像処理装置13と、演算装置14とにより安価に構築して、インクジェットプリンタの製造ライン中の検査に利用することができる。
【００２９】
次に、図７〜図９は本発明に係る液滴の噴射速度測定システムの第２実施形態を示す図であり、本実施形態は、請求項１、２に記載の発明に対応する。なお、本実施形態は、上述第１実施形態と略同様に構成されているので、同様な構成には同一の符号を付して説明する。
本実施形態は、上述実施形態と同様に、照明ランプ11と、ＣＣＤカメラ12と、画像処理装置13と、演算装置14とにより構築されているが、図７に示すように、照明ランプ11およびＣＣＤカメラ12は、ノズル面３から略１ｍｍの距離ｈに位置するインク滴５とそのノズル面３のノズル穴２の双方を撮像画面Ｗ中に捉えることができるようにノズル面３に対する照明方向および撮像方向の挟角（仰角）を１０度に設定されて位置決め固定されている。
【００３０】
ここで、プリンタヘッド１のノズル面３は、一般的には撥水処理されており、照明ランプ11の照明光を効率よく反射する反射面を構成する。このため、ＣＣＤカメラ12は、そのノズル面３により反射された照明ランプ11からの照明光を取り込むことになり、ノズル穴２では反射されずに、またインク滴５により遮光された照明ランプ11からの照明光を取り込んで、図８に示すような撮像画面Ｗ中にインク滴５とノズル穴２の双方を捉えた映像を撮像することができる。
【００３１】
したがって、画像処理装置13は、インク滴５が紙面の位置（距離ｈ）に到達するタイミングに同期して照明ランプ11がストロボ発光することにより撮像されたＣＣＤカメラ12の映像から、撮像画面Ｗ中のノズル穴２とインク滴５の位置を特定する一方、演算装置14は、特定されたノズル穴２とインク滴５の位置座標等を受け取って、上述した演算式によりインク滴５の体積・噴射速さ・噴射方向の噴射特性を算出することができる。また、ノズル面３が撥水処理されている場合には、その面に直接接触してノズル穴２の位置を測定するのは好ましくなく、非接触式のレーザ変位計では高精度な測定が困難で±１０μｍ程度が限界であると共に、プリンタヘッド１のセット毎に実測するのは時間が掛かるが、本実施形態ではインク滴５を撮像するセッティング状態でノズル穴２をも撮像することができるので、その位置座標を予めまたはインク滴５の撮像と同時に特定して演算に用いることができる。なお、位置の測定における誤差が±１μｍあると、噴射速度の測定誤差は±６．７ｍｍ／ｓｅｃとなる。
【００３２】
ただし、ＣＣＤカメラ12は、ノズル面３を仰角１０度で撮像しているので、図９に示すように、Ｚ軸方向のインク滴５の噴射距離Ｌは縮小されて噴射距離Ｌ２で測定されるが、この縮小による測定誤差が要求される測定精度の範囲内に入るように照明ランプ11およびＣＣＤカメラ12の仰角を１０度に設定している。より精度よく測定するためにＺ軸方向の噴射距離Ｌ２について補正して正確な噴射距離Ｌを求めてもよいことは云うまでもない。
【００３３】
このように本実施形態では、上述実施形態による作用効果に加え、斜め方向からノズル穴２とインク滴５を同時に撮像して、その撮像画面Ｗ中で特定されたノズル穴２に対するインク滴５の位置座標からその噴射速さおよび噴射方向を算出することができ、プリンタヘッド１のノズル穴２の位置を高精度に位置決めしたり測定することを省くことができる。したがって、プリンタヘッド１の噴射特性をより簡易に、かつ容易に測定することができる。
【００３４】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、ノズル穴から噴射され一定時間経過したときの液滴を撮像して基準位置からの位置を特定し、その基準位置に対するノズル穴および液滴の位置関係から該液滴の速度を算出するので、ノズル穴から噴射された液滴の噴射速度を他の要因による影響を受けることなく高精度に直接測定することができる。したがって、例えば、インクジェットプリンタのプリンタヘッドから噴射されるインク滴の噴射速度を測定して、特にドット位置精度の高精度な調整作業を容易に行なうことができる。また、液滴の撮像やその速度の算出は簡易な構成により可能であるので、例えば、製造ライン中の検査に利用することができるような低コストおよび汎用性に優れたシステムにすることができる。
【００３５】
さらに、斜め方向からノズル穴および液滴を同時に撮像することができるので、映像中の基準位置に対するノズル穴の位置決めや測定を省いて、ノズル穴に対する位置関係から液滴の速度を容易に算出することができる。したがって、ノズル穴から噴射された液滴の噴射速度をより簡易に、かつ容易に測定することができ、コストをより削減することができるとともに汎用性をより向上させることができる。
【００３６】
請求項２に記載の発明によれば、撮像した液滴の映像から該液滴の体積をも算出するので、ノズル穴から噴射された液滴の噴射特性を他の要因による影響を受けることなく高精度に直接測定することができる。したがって、例えば、インクジェットプリンタのプリンタヘッドから噴射されるインク滴の体積を加えた噴射特性を測定して、より高精度な調整作業やプリンタヘッドの性能評価を行なうことができる。また、液滴の体積の算出も簡易な構成により可能であるので、製造ライン中の検査に最適に利用することができ、低コストおよび汎用性により優れたシステムにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る液滴の噴射速度測定システムの第１実施形態を示す図であり、その概略全体構成を示す概念図である。
【図２】その液滴の撮像を説明する側面図である。
【図３】その撮像画面の位置関係を説明する概念図である。
【図４】その測定開始前の調整を説明する概念図である。
【図５】その測定を説明するフローチャートである。
【図６】その演算処理を説明する概念図である。
【図７】本発明に係る液滴の噴射速度測定システムの第２実施形態を示す図であり、その要部構成を示す側面図である。
【図８】その液滴の撮像による特徴を説明する概念図である。
【図９】その液滴の撮像による演算処理の特徴を説明する概念図である。
【図１０】液滴を噴射するプリンタヘッドを示す斜視図である。
【符号の説明】
１    プリンタヘッド
２    ノズル穴
３    ノズル面
５    インク滴（液滴）
11    照明ランプ（照明手段）
12    ＣＣＤカメラ（撮像手段）
13    画像処理装置（位置特定手段）
14    演算装置（演算手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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