(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体の収容空間に少なくとも一部を露出させ得る振動部を有し、駆動信号の供給により前記振動部を振動させる機能と共に、前記振動部の振動状態に応じて発生する逆起電力の信号を出力する機能を有する圧電装置と、
前記圧電装置に前記駆動信号を供給して前記振動部を振動させた後の前記振動部の残留振動に起因して前記圧電装置から出力される残留振動信号の共振周波数に基づいて、前記振動部に対向する空間に存在する液体の量を判定する液量判定手段と、を備え、
前記液量判定手段は、前記残留振動信号中のパルスの数を計測し、パルス数のカウント開始時点から、所定数のパルスをカウントする時点までの所要時間を計測してその計測結果に基づいて液量を判定するものであり、
さらに、前記液量判定手段は、前記カウント開始時点をずらしながらパルス数のカウントを少なくとも３回実施し、前記所要時間についての少なくとも３つの計測値同士の間に許容範囲を超える不一致がある場合には判定異常と判断する機能を有し、第１回目の計測における前記所要時間の時間帯域と第３回目の計測における前記所要時間の時間帯域とが重ならず、第２回目の計測における前記所要時間の時間帯域が第１回目及び第３回目の計測における前記所要時間の時間帯域のそれぞれに重なるように前記カウント開始時点同士をずらしたことを特徴とする液量監視装置。
【請求項２】
前記液量判定手段は、判定異常と判断された場合には前記所要時間を再計測することを特徴とする請求項１記載の液量監視装置。
【請求項３】
前記液体はインクジェット式記録ヘッド用のインク容器に収容されるものであり、前記圧電装置は前記インク容器に装着されて前記振動部の少なくとも一部が前記インク容器のインク収容空間に露出しており、
前記液量判定手段は、判定異常と判断された場合には、前記記録ヘッドが装着されているキャリッジが停止している状態において前記所要時間を再計測することを特徴とする請求項２記載の液量監視装置。
【請求項４】
前記液体はインクジェット式記録ヘッド用のインク容器に収容されるものであり、前記圧電装置は前記インク容器に装着されて前記振動部の少なくとも一部が前記インク容器のインク収容空間に露出しており、
前記液量判定手段は、判定異常と判断された場合には、前記記録ヘッドからのインク吐出が停止している状態において前記所要時間を再計測することを特徴とする請求項２又は３に記載の液量監視装置。
【請求項５】
前記液量判定手段は、前記液体の液面が前記振動部を通過する前後における前記残留振動信号の共振周波数の変化に基づいて、前記液体の液面が前記振動部の設置位置を通過したか否かを判定する機能を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の液量監視装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の液量監視装置と、
前記液量監視装置の前記圧電装置が装着された液体容器と、
前記液体容器から供給される液体を消費する装置本体と、を備えたことを特徴とする液体消費装置。
【請求項７】
少なくとも１台のコンピュータを含むコンピュータシステムによって実行されて、前記コンピュータシステムに請求項１乃至５のいずれか一項に記載の液量監視装置の前記液量判定手段を実現させるプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
【請求項８】
圧電装置の振動部の少なくとも一部を液体の収容空間に露出させた状態で前記圧電装置に駆動信号を供給して前記振動部を振動させる工程と、
前記振動部を振動させた後の前記振動部の残留振動に起因して前記圧電装置から出力される残留振動信号の共振周波数に基づいて、前記振動部に対向する空間に存在する液体の量を判定する工程と、を備え、
前記液体の量を判定する工程においては、
前記残留振動信号中のパルスの数を計測し、パルス数のカウント開始時点から、所定数のパルスをカウントする時点までの所要時間を計測してその計測結果に基づいて液量を判定し、
さらに、前記カウント開始時点をずらしながらパルス数のカウントを少なくとも３回実施し、前記所要時間についての少なくとも３つの計測値同士の間に許容範囲を超える不一致がある場合には判定異常と判断し、第１回目の計測における前記所要時間の時間帯域と第３回目の計測における前記所要時間の時間帯域とが重ならず、第２回目の計測における前記所要時間の時間帯域が第１回目及び第３回目の計測における前記所要時間の時間帯域のそれぞれに重なるように前記カウント開始時点同士をずらすことを特徴とする液量監視方法。
【請求項９】
前記液体の量を判定する工程においては、判定異常と判断された場合には前記所要時間を再計測することを特徴とする請求項８記載の液量監視方法。
【請求項１０】
前記液体はインクジェット式記録ヘッド用のインク容器に収容されるものであり、前記圧電装置は前記インク容器に装着されて前記振動部の少なくとも一部が前記インク容器のインク収容空間に露出しており、
前記液体の量を判定する工程においては、判定異常と判断された場合には、前記記録ヘッドが装着されているキャリッジが停止している状態において前記所要時間を再計測することを特徴とする請求項９記載の液量監視方法。
【請求項１１】
前記液体はインクジェット式記録ヘッド用のインク容器に収容されるものであり、前記圧電装置は前記インク容器に装着されて前記振動部の少なくとも一部が前記インク容器のインク収容空間に露出しており、
前記液体の量を判定する工程においては、判定異常と判断された場合には、前記記録ヘッドからのインク吐出が停止している状態において前記所要時間を再計測することを特徴とする請求項９又は１０に記載の液量監視方法。
【請求項１２】
前記液体の量を判定する工程においては、前記液体の液面が前記振動部を通過する前後における前記残留振動信号の共振周波数の変化に基づいて、前記液体の液面が前記振動部の設置位置を通過したか否かを判定することを特徴とする請求項８乃至１１のいずれか一項に記載の液量監視方法。
【請求項１３】
液体の収容空間に少なくとも一部を露出させ得る振動部を有し、駆動信号の供給により前記振動部を振動させる機能と共に、前記振動部の振動状態に応じて発生する逆起電力の信号を出力する機能を有する圧電装置と、
前記圧電装置に前記駆動信号を供給して前記振動部を振動させた後の前記振動部の残留振動に起因して前記圧電装置から出力される残留振動信号の共振周波数に基づいて、前記振動部に対向する空間に存在する液体の量を判定する液量判定手段と、を備え、
前記液量判定手段は、前記残留振動信号中のパルスの数を計測し、パルス数のカウント開始時点から、所定数のパルスをカウントする時点までの所要時間を計測してその計測結果に基づいて液量を判定するものであり、
さらに、前記液量判定手段は、前記カウント開始時点をずらしながら前記所定数のパルスのカウントを複数回繰り返し、前記所要時間についての複数の計測値同士の間に許容範囲を超える不一致がある場合には判定異常と判断する機能を有することを特徴とする液量監視装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液量監視装置及びこれを備えた液体消費装置に係わり、特に、圧電装置を用いて液量を監視する液量監視装置及びこれを備えた液体消費装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液体消費装置の一例であるインクジェット式記録装置においては、圧力発生室を加圧する圧力発生手段と、加圧されたインクをインク滴として射出するノズル開口と、を有するインクジェット記録ヘッドがキャリッジに搭載されている。
【０００３】
インクジェット式記録装置では、インクタンク（インク容器）内のインクが流路を介して記録ヘッドに供給され続けることにより、印刷を継続可能に構成されている。インクタンクは、例えばインクが消費された時点でユーザが簡単に交換できる、着脱可能なカートリッジとして構成されている。
【０００４】
従来、インクカートリッジのインク消費の管理方法としては、記録ヘッドでのインク滴の射出数やメンテナンスにより吸引されたインク量をソフトウエアにより積算してインク消費を計算により管理する方法や、インクカートリッジに液面検出用の電極を取付けることにより実際にインクが所定量消費された時点を管理する方法などがある。
【０００５】
しかしながら、ソフトウェアによりインク滴の吐出数やインク量を積算してインク消費を計算上管理する方法には、次のような問題がある。ヘッドの中には吐出インク滴に重量バラツキを有するものがある。このインク滴の重量バラツキは画質には影響を与えないが、バラツキによるインク消費量の誤差が累積した場合を考慮して、マージンを持たせた量のインクをインクカートリッジに充填してある。従って、個体によってはマージン分だけインクが余るという問題が生ずる。
【０００６】
一方、電極によりインクが消費された時点を管理する方法は、インクの実量を検出できる。このため、インク残量を高い信頼性で管理できる。しかしながら、インクの液面の検出をインクの導電性に頼るので、検出可能なインクの種類が限定されたり、電極のシール構造が複雑化し得る。また、電極の材料としては、通常は導電性が良く耐腐食性も高い貴金属が使用されるので、インクカートリッジの製造コストがかさむ。さらに、２本の電極を装着する必要があるため、製造工程が多くなり、結果として製造コストがかさんでしまう。
【０００７】
上記の課題を解決すべく、特願２０００−１４７０５２号には、液体残量を正確に検出でき、かつ複雑なシール構造を不要とした、液体容器に装着される圧電装置が記載されている。また、特願２０００−１４７１２３号には、インクの液面を正確に検出するための手段として、インク滴の射出数に基づいてインクの推定消費状態を求めると共に圧電装置を用いてインクの実消費状態を検出する手段が記載されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述した特許出願に係る技術は、圧電装置の振動部の残留振動に起因して発生する残留振動信号に基づいてインクの液量を検出するものである。ところが、この残留振動信号はその振幅が微弱であるためにノイズの影響を大きく受けてしまい、ノイズの影響のためにインクの液量を誤って検出してしまう可能性があった。
【０００９】
本発明は、上述した事情を考慮して成されたものであって、液体容器内の液量を高い信頼性の下で監視できる液量監視装置及びこれを備えた液体消費装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明による液量監視装置は、液体の収容空間に少なくとも一部を露出させ得る振動部を有し、駆動信号の供給により前記振動部を振動させる機能と共に、前記振動部の振動状態に応じて発生する逆起電力の信号を出力する機能を有する圧電装置と、前記圧電装置に前記駆動信号を供給して前記振動部を振動させた後の前記振動部の残留振動に起因して前記圧電装置から出力される残留振動信号の共振周波数に基づいて、前記振動部に対向する空間に存在する液体の量を判定する液量判定手段と、を備え、前記液量判定手段は、前記残留振動信号中のパルスの数を計測し、パルス数のカウント開始時点から、所定数のパルスをカウントする時点までの所要時間を計測してその計測結果に基づいて液量を判定するものであり、さらに、前記液量判定手段は、前記カウント開始時点をずらしながらパルス数のカウントを少なくとも３回実施し、前記所要時間についての少なくとも３つの計測値同士の間に許容範囲を超える不一致がある場合には判定異常と判断する機能を有し、第１回目の計測における前記所要時間の時間帯域と第３回目の計測における前記所要時間の時間帯域とが重ならず、第２回目の計測における前記所要時間の時間帯域が第１回目及び第３回目の計測における前記所要時間の時間帯域のそれぞれに重なるように前記カウント開始時点同士をずらしたことを特徴とする。
【００１１】
また、好ましくは、前記液量判定手段は、判定異常と判断された場合には前記所要時間を再計測する。
【００１２】
また、好ましくは、前記液体はインクジェット式記録ヘッド用のインク容器に収容されるものであり、前記圧電装置は前記インク容器に装着されて前記振動部の少なくとも一部が前記インク容器のインク収容空間に露出しており、前記液量判定手段は、判定異常と判断された場合には、前記記録ヘッドが装着されているキャリッジが停止している状態において前記所要時間を再計測する。
【００１３】
また、好ましくは、前記液体はインクジェット式記録ヘッド用のインク容器に収容されるものであり、前記圧電装置は前記インク容器に装着されて前記振動部の少なくとも一部が前記インク容器のインク収容空間に露出しており、前記液量判定手段は、判定異常と判断された場合には、前記記録ヘッドからのインク吐出が停止している状態において前記所要時間を再計測する。
【００１４】
また、好ましくは、前記液量判定手段は、前記液体の液面が前記振動部を通過する前後における前記残留振動信号の共振周波数の変化に基づいて、前記液体の液面が前記振動部の設置位置を通過したか否かを判定する機能を有する。
【００１５】
上記課題を解決するために、本発明による液体消費装置は、上記いずれかの液量監視装置と、前記液量監視装置の前記圧電装置が装着された液体容器と、前記液体容器から供給される液体を消費する装置本体と、を備えたことを特徴とする。
【００１６】
上記課題を解決するために、本発明によるコンピュータ読み取り可能な記録媒体は、少なくとも１台のコンピュータを含むコンピュータシステムによって実行されて、前記コンピュータシステムに上記いずれかの液量監視装置の前記液量判定手段を実現させるプログラムを記録したことを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態による液量監視装置及びこれを備えたインクジェット式記録装置ついて図面を参照して説明する。
図１および図２は、本実施形態において用いられる圧電装置としてのアクチュエータ１０６の詳細および等価回路を示す。このアクチュエータ１０６は、残留振動による共振周波数を検出することで音響インピーダンスの変化を検知して、インク容器内の液体の消費状態を検出するものである。
【００１８】
図１（Ａ）は、アクチュエータ１０６の拡大平面図である。図１（Ｂ）は、アクチュエータ１０６のＢ−Ｂ断面を示す。図１（Ｃ）は、アクチュエータ１０６のＣ−Ｃ断面を示す。さらに図２（Ａ）および図２（Ｂ）は、アクチュエータ１０６の等価回路を示す。また、図２（Ｃ）および図２（Ｄ）は、それぞれインクカートリッジ内にインクが満たされているときのアクチュエータ１０６を含む周辺およびその等価回路を示し、図２（Ｅ）および図２（Ｆ）は、それぞれインクカートリッジ内にインクが無いときのアクチュエータ１０６を含む周辺およびその等価回路を示す。
【００１９】
アクチュエータ１０６は、ほぼ中央に円形状の開口１６１を有する基板１７８と、開口１６１を被覆するように基板１７８の一方の面（以下、「表面」という。）に配置される振動板１７６と、振動板１７６の表面の側に配置される圧電層１６０と、圧電層１６０を両方からはさみこむ上部電極１６４および下部電極１６６と、上部電極１６４と電気的に結合する上部電極端子１６８と、下部電極１６６と電気的に結合する下部電極端子１７０と、上部電極１６４および上部電極端子１６８の間に配設され両者を電気的に結合する補助電極１７２と、を有する。
【００２０】
圧電層１６０、上部電極１６４および下部電極１６６は、それぞれの主要部としての円形部分を有する。そして、圧電層１６０、上部電極１６４および下部電極１６６のそれぞれの円形部分が、圧電素子を形成している。
【００２１】
振動板１７６は、基板１７８の表面に、開口１６１を覆うように形成される。キャビティ１６２は、開口１６１と面する振動板１７６の部分と基板（キャビティ形成部材）１７８の開口１６１とによって形成される。圧電素子とは反対側の基板１７８の面（以下、「裏面」という。）は、インク容器内方に面している。これにより、キャビティ１６２は液体（インク）と接触するように構成されている。なお、キャビティ１６２内に液体が入っても基板１７８の表面側に液体が漏れないように、振動板１７６は基板１７８に対して液密に取り付けられている。
【００２２】
下部電極１６６は、振動板１７６の表面に位置している。下部電極１６６の主要部である円形部分の中心と開口１６１の中心とは、ほぼ一致するように取り付けられている。なお、下部電極１６６の円形部分の面積は、開口１６１の面積よりも小さくなるように設定されている。
【００２３】
一方、下部電極１６６の表面側には、圧電層１６０が、その円形部分の中心と開口１６１の中心とがほぼ一致するように配置形成されている。この場合、圧電層１６０の円形部分の面積は、開口１６１の面積よりも小さく、かつ、下部電極１６６の円形部分の面積よりも大きくなるように設定されている。
【００２４】
圧電層１６０の表面側には、上部電極１６４が、その主要部である円形部分の中心と開口１６１の中心とがほぼ一致するように配置形成されている。上部電極１６４の円形部分の面積は、開口１６１および圧電層１６０の円形部分の面積よりも小さく、かつ、下部電極１６６の円形部分の面積よりも大きくなるよう設定されている。
【００２５】
したがって、圧電層１６０の主要部は、上部電極１６４の主要部と下部電極１６６の主要部とによって、それぞれ表面側と裏面側とから挟みこまれる構造となっている。これにより、圧電層１６０は効果的に変形駆動され得る。圧電層１６０、上部電極１６４および下部電極１６６のそれぞれの主要部である円形部分が、アクチュエータ１０６における圧電素子を形成する。
【００２６】
上述のように、この圧電素子は振動板１７６に接している。また、上部電極１６４の円形部分、圧電層１６０の円形部分、下部電極１６６の円形部分および開口１６１のうちで、面積が最も大きいのは開口１６１である。このような構造のために、振動板１７６のうち実際に振動する振動領域（振動部の領域）は、開口１６１によって決定される。
【００２７】
また、上部電極１６４の円形部分、圧電層１６０の円形部分および下部電極１６６の円形部分の各面積が、開口１６１の面積より小さいことにより、振動板１７６がより振動しやすくなっている。
【００２８】
さらに、圧電層１６０と電気的に接続する下部電極１６６の円形部分および上部電極１６４の円形部分のうち、下部電極１６６の円形部分の方が小さい。従って、下部端子１６６の円形部分が、圧電層１６０のうちで圧電効果を発生する部分を決定する。
【００２９】
圧電素子を形成する圧電層１６０、上部電極１６４、及び下部電極１６６の円形部分は、その中心が、開口部１６１の中心とほぼ一致している。また、振動板１７６の振動部分を決定する円形状の開口部１６１の中心は、アクチュエータ１０６の全体のほぼ中心に位置している。したがって、アクチュエータ１０６の振動部の中心は、アクチュエータの中心とほぼ一致する。
【００３０】
更に、圧電素子の主要部及び振動板１７６の振動部分が円形形状を有するので、アクチュエータ１０６の振動部は、アクチュエータ１０６の中心に対して対称な形状である。
【００３１】
このようにアクチュエータ１０６の振動部が、アクチュエータ１０６の中心に対して対称な形状であるので、構造の非対称性から生じ得る不要な振動を励起することがない。このため、共振周波数の検出精度が向上する。
【００３２】
更に、振動部がアクチュエータ１０６の中心に対して対称な形状であるので、製造が容易であり、圧電素子ごとの形状のばらつきを小さくできる。したがって、圧電素子ごとの共振周波数のばらつきが小さくなる。
【００３３】
また、振動部が等方的な形状であるので、接着の際に固定のばらつきの影響を受けにくく、インク容器に均等に接着され得る。すなわち、アクチュエータ１０６のインク容器への実装性がよい。
【００３４】
また、円形形状の振動板１７６の振動部分の面積を大きくすることによって、逆起電力波形の振幅及び液体の有無による共振周波数の振幅の差が大きくなり、共振周波数の検出の精度を更に向上できる。
【００３５】
振動板１７６の振動による変位は、基板１７８の振動による変位よりもはるかに大きい。すなわち、アクチュエータ１０６は、コンプライアンスの小さい（振動によって変位しにくい）基板１７８と、コンプライアンスの大きい（振動によって変位しやすい）振動板１７６との２層構造を有する。この２層構造によって、基板１７８によってインク容器に確実に固定されながら、かつ、振動板１７６の変位を大きくできる。このため、逆起電力波形の振幅及び液体の有無による共振周波数の振幅の差が大きくなり、共振周波数の検出の精度が向上できる。
【００３６】
更に、振動板１７６のコンプライアンスが大きいので、振動の減衰が小さくなり、共振周波数の検出の精度が向上できる。
【００３７】
また、アクチュエータ１０６の振動の節は、キャビティ１６２の外周部、すなわち、開口部１６１の縁付近に位置する。
【００３８】
上部電極端子１６８は、補助電極１７２を介して上部電極１６４と電気的に接続するように、振動板１７６の表面側に形成されている。一方、下部電極端子１７０は、下部電極１６６に電気的に接続するように、振動板１７６の表面側に形成されている。上部電極１６４は、圧電層１６０の表面側に形成されるため、上部電極端子１６８と接続する途中において、圧電層１６０の厚さと下部電極１６６の厚さとの和に等しい段差を有する必要がある。上部電極１６４だけでこの段差を形成することは難しい。かりに上部電極１６４だけで段差を形成することが可能であったとしても、上部電極１６４と上部電極端子１６８との接続状態が弱くなってしまい、切断してしまう危険がある。そこで、補助電極１７２を補助部材として用いて、上部電極１６４と上部電極端子１６８とを接続させている。このようにすることで、圧電層１６０も上部電極１６４も補助電極１７２に支持された構造となり、所望の機械的強度を得ることができ、また、上部電極１６４と上部電極端子１６８との接続を確実にすることが可能となる。
【００３９】
なお、圧電素子と振動板１７６のうちの圧電素子に直面する振動領域とが、アクチュエータ１０６において実際に振動する振動部である。また、アクチュエータ１０６に含まれる部材は、互いに焼成されることによって一体的に形成されていることが好ましい。アクチュエータ１０６を一体的に形成することによって、アクチュエータ１０６の取り扱いが容易になる。
【００４０】
さらに、基板１７８の強度を高めることによって、振動特性が向上し得る。即ち、基板１７８の強度を高めることによって、アクチュエータ１０６の振動部のみが振動し、アクチュエータ１０６のうち振動部以外の部分が振動しない。また、アクチュエータ１０６の振動部以外の部分が振動しないためには、基板１７８の強度を高めることに加えて、アクチュエータ１０６の圧電素子を薄くかつ小さくすると共に、振動板１７６を薄くすることも有効である。
【００４１】
圧電層１６０の材料としては、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（ＰＬＺＴ）、または、鉛を使用しない鉛レス圧電膜、を用いることが好ましい。基板１７８の材料としては、ジルコニアまたはアルミナを用いることが好ましい。また、振動板１７６には、基板１７８と同じ材料を用いることが好ましい。上部電極１６４、下部電極１６６、上部電極端子１６８および下部電極端子１７０は、導電性を有する材料、例えば、金、銀、銅、プラチナ、アルミニウム、ニッケルなどの金属を用いることができる。
【００４２】
上述したように構成されるアクチュエータ（圧電装置）１０６は、液体を収容する容器に装着することができる。例えば、液体消費装置の一例であるインクジェット式記録装置に用いられるインクカートリッジやインクタンク、あるいは、記録ヘッドを洗浄するための洗浄液を収容した容器、などに装着することができる。
【００４３】
図１および図２に示されるアクチュエータ１０６は、インク容器の所定の場所に、キャビティ１６２がインク容器内に収容される液体と接触するように装着される。つまり、アクチュエータ１０６の振動部の少なくとも一部が、インク容器の収容空間に露出している。インク容器に液体（インク）が十分に収容されている場合には、キャビティ１６２内およびその外側は液体によって満たされている。
【００４４】
一方、インク容器の液体が消費され、アクチュエータの装着位置以下まで液面が降下すると、キャビティ１６２内に液体が存在しない状態となる、あるいは、キャビティ１６２内にのみ液体が残存されその外側には気体が存在する状態となる。
【００４５】
アクチュエータ１０６は、この状態の変化に起因する、少なくとも音響インピーダンスの相違を検出する。それによって、アクチュエータ１０６は、インク容器に液体が十分に収容されている状態であるか、あるいは、ある一定以上の液体が消費された状態であるか、を検知することができる。
【００４６】
次に、アクチュエータによる液面検出の原理について説明する。
アクチュエータ１０６は、液体の音響インピーダンスの変化を共振周波数の変化を用いて検出することができる。共振周波数は、アクチュエータの振動部が振動した後に振動部に残留する残留振動によって生ずる逆起電力を測定することによって検出することができる。すなわち、上述した圧電素子は、アクチュエータの振動部に残留する残留振動により逆起電力を発生する。逆起電力の大きさは、アクチュエータの振動部の振幅によって変化する。従って、アクチュエータの振動部の振幅が大きいほど、検出が容易である。また、アクチュエータの振動部における残留振動の周波数によって、逆起電力の大きさが変化する周期が変わる。すなわち、アクチュエータの振動部の周波数は、逆起電力の周波数に対応する。ここで、共振周波数は、アクチュエータの振動部と振動部に接する媒体との共振状態における周波数をいう。
【００４７】
アクチュエータ１０６の振動領域は、振動板１７６のうち開口１６１によって決定されるキャビティ１６２を構成する部分である。インク容器内に液体が充分に収容されている場合には、キャビティ１６２内には、液体が満たされ、振動領域はインク容器内の液体と接触している。一方で、インク容器内に液体が充分にない場合には、振動領域はインク容器内のキャビティに残った液体と接するか、あるいは、液体と接触せず、気体または真空と接触する。
【００４８】
本実施形態のアクチュエータ１０６には、キャビティ１６２が設けられている。これにより、アクチュエータ１０６の振動領域にインク容器内の液体が残るように設計することができる。その理由は次の通りである。
【００４９】
アクチュエータ１０６のインク容器への取り付け位置や取り付け角度によっては、インク容器内の液体の液面がアクチュエータの装着位置よりも下方にあるにもかかわらず、アクチュエータの振動領域に液体が付着してしまう場合がある。振動領域における液体の有無だけから液体の有無を検出する場合には、このようにアクチュエータの振動領域に付着する液体が、液体の有無の正確な検出を妨げる。
【００５０】
たとえば、液面がアクチュエータの装着位置よりも下方にある状態のとき、キャリッジの往復移動などによりインク容器が揺動して液体が波うち、振動領域に液滴が付着してしまうと、アクチュエータはインク容器内に液体が充分にあるとの誤った判断をしてしまう。
【００５１】
そこで、アクチュエータ１０６では、振動領域に液体が残存している場合であっても液体の有無を正確に検出するようにキャビティを積極的に設けることで、インク容器が揺動して液面が波立ったとしても、アクチュエータの誤動作を防止することができる。このように、キャビティを有するアクチュエータを用いることで、誤動作を防ぐことができる。
【００５２】
また、図２（Ｅ）に示すように、インク容器内に液体が無く、アクチュエータ１０６のキャビティ１６２に液体が残っている場合を、液体の有無の閾値とする。すなわち、キャビティ１６２の周辺に液体が無く、この閾値よりキャビティ内の液体が少ない場合は、インク無しと判断し、キャビティ１６２の周辺に液体が有り、この閾値より液体が多い場合は、インク有りと判断する。
【００５３】
例えば、アクチュエータ１０６をインク容器の側壁に装着した場合、インク容器内の液体がアクチュエータの装着位置よりも下にある場合をインク無しと判断し、インク容器内の液体がアクチュエータの装着位置より上にある場合をインク有りと判断する。
【００５４】
このように閾値を設定することによって、キャビティ内のインクが乾燥してインクが無くなったときであってもインク無しと判断することができ、キャビティ内のインクが無くなったところにキャリッジの揺れなどで再度インクがキャビティに付着しても（閾値を越えないので）インク無しと判断することができる。
【００５５】
ここで、図１および図２を参照しながら、逆起電力の測定により得られる媒体とアクチュエータ１０６の振動部との共振周波数から、インク容器内の液体の状態を検出する動作および原理について説明する。
【００５６】
アクチュエータ１０６において、上部電極端子１６８および下部電極端子１７０を介して、それぞれ上部電極１６４および下部電極１６６に電圧を印加する。このため、圧電層１６０のうち、上部電極１６４および下部電極１６６に挟まれた部分に電界が生じる。この電界によって、圧電層１６０は変形する。圧電層１６０が変形することによって、振動板１７６のうちの振動領域がたわみ振動する。圧電層１６０が変形した後しばらくは、たわみ振動がアクチュエータ１０６の振動部に残留する。
【００５７】
残留振動は、アクチュエータ１０６の振動部と媒体との自由振動である。従って、圧電層１６０に印加する電圧をパルス波形あるいは矩形波とすることで、電圧を印加した後の振動部と媒体との共振状態を容易に得ることができる。残留振動は、アクチュエータ１０６の振動部の振動であり、圧電層１６０の変形を伴う。このため、圧電層１６０は逆起電力を発生する。この逆起電力は、上部電極１６４、下部電極１６６、上部電極端子１６８および下部電極端子１７０を介して検出される。検出された逆起電力によって、共振周波数が特定できる。この共振周波数に基いて、インク容器内の液体の量を検出することができる。
【００５８】
一般に、共振周波数ｆｓは、
0003613192.tif 000002
で表される。ここで、Ｍは振動部のイナータンスＭａｃｔと付加イナータンスＭ’との和である。Ｃａｃｔは振動部のコンプライアンスである。
【００５９】
図１（Ｃ）は、本実施形態において、キャビティ１６２にインクが残存していないときのアクチュエータ１０６の断面図である。図２（Ａ）および図２（Ｂ）は、キャビティ１６２にインクが残存していないときのアクチュエータ１０６の振動部およびキャビティ１６２の等価回路である。
【００６０】
Ｍａｃｔは、振動部の厚さと振動部の密度との積を振動部の面積で除したものであり、詳細には、図２（Ａ）に示すように、
0003613192.tif 000003
と表される。
【００６１】
ここで、Ｍｐｚｔは、振動部における圧電層１６０の厚さと圧電層１６０の密度との積を圧電層１６０の面積で除したものである。Ｍｅｌｅｃｔｒｏｄｅ１は、振動部における上部電極１６４の厚さと上部電極１６４の密度との積を上部電極１６４の面積で除したものである。Ｍｅｌｅｃｔｒｏｄｅ２は、振動部における下部電極１６６の厚さと下部電極１６６の密度との積を下部電極１６６の面積で除したものである。Ｍｖｉｂは、振動部における振動板１７６の厚さと振動板１７６の密度との積を振動板１７６の振動領域の面積で除したものである。
【００６２】
ただし、Ｍａｃｔを振動部全体としての厚さ、密度および面積から算出することができるように、圧電層１６０、上部電極１６４、下部電極１６６および振動板１７６の振動領域のそれぞれの面積は、上述のような大小関係を有するものの、相互の面積の差は微小であることが好ましい。
【００６３】
また、本実施形態において、圧電層１６０、上部電極１６４および下部電極１６６においては、それらの主要部である円形部分以外の部分は、主要部に対して無視できるほど微小であることが好ましい。従って、アクチュエータ１０６において、Ｍａｃｔは、上部電極１６４、下部電極１６６、圧電層１６０および振動板１７６のうちの振動領域のそれぞれのイナータンスの和である。また、コンプライアンスＣａｃｔは、上部電極１６４、下部電極１６６、圧電層１６０および振動板１７６のうちの振動領域によって形成される部分のコンプライアンスである。
【００６４】
尚、図２（Ａ）、図２（Ｂ）、図２（Ｄ）、図２（Ｆ）は、アクチュエータ１０６の振動部およびキャビティ１６２の等価回路を示すが、これらの等価回路において、Ｃａｃｔはアクチュエータ１０６の振動部のコンプライアンスを示す。Ｃｐｚｔ、Ｃｅｌｅｃｔｒｏｄｅ１、Ｃｅｌｅｃｔｒｏｄｅ２およびＣｖｉｂは、それぞれ、振動部における圧電層１６０、上部電極１６４、下部電極１６６および振動板１７６のコンプライアンスを示す。Ｃａｃｔは、以下の式３で表される。
0003613192.tif 000004
式２および式３より、図２（Ａ）は、図２（Ｂ）のように表すこともできる。
【００６５】
コンプライアンスＣａｃｔは、単位面積に圧力をかけたときの変形によって受容できる媒体の体積を表す。すなわち、コンプライアンスＣａｃｔは、変形のし易さを表す。
【００６６】
図２（Ｃ）は、インク容器に液体が十分に収容され、アクチュエータ１０６の振動領域の周辺に液体が満たされている場合のアクチュエータ１０６の断面図を示す。図２（Ｃ）のＭ’ｍａｘは、インク容器に液体が十分に収容され、アクチュエータ１０６の振動領域の周辺に液体が満たされている場合の付加イナータンス（付加質量（振動領域の振動に影響を及ぼす質量）を面積の２乗で除したもの）の最大値を表す。Ｍ’ｍａｘは、
0003613192.tif 000005
（ａは振動部の半径、ρは媒体の密度、ｋは波数である。）
で表される。
【００６７】
尚、式４は、アクチュエータ１０６の振動領域が半径ａの円形である場合に成立する。付加イナータンスＭ’は、振動部の付近にある媒体によって、振動部の質量が見かけ上増加していることを示す量である。式４からわかるように、Ｍ’ｍａｘは、振動部の半径ａと媒体の密度ρとによって、大きく変化する。
【００６８】
波数ｋ  は、
ｋ＝２＊π＊ｆａｃｔ／ｃ          （式５）
（ｆａｃｔは、振動部の共振周波数である。ｃは、媒体中を伝播する音響の速度である。）
で表される。
【００６９】
図２（Ｄ）は、インク容器に液体が十分に収容され、アクチュエータ１０６の振動領域の周辺に液体が満たされている図２（Ｃ）の場合のアクチュエータ１０６の振動部およびキャビティ１６２の等価回路を示す。
【００７０】
図２（Ｅ）は、インク容器の液体が消費され、アクチュエータ１０６の振動領域の周辺に液体が無いものの、アクチュエータ１０６のキャビティ１６２内には液体が残存している場合のアクチュエータ１０６の断面図を示す。
【００７１】
式４は、インク容器に液体が満たされている場合に、インクの密度ρなどから決定される最大のイナータンスＭ’ｍａｘを表す式である。一方、インク容器内の液体が消費され、キャビティ１６２内に液体が残留しつつアクチュエータ１０６の振動領域の周辺にある液体が気体または真空に置換された場合等の付加イナータンスＭ’は、一般的に、
Ｍ’＝ρ＊ｔ／Ｓ          （式６）
と表せる（より詳しくは、後述の式８参照）。ここで、ｔは振動にかかわる媒体の厚さである。Ｓは、アクチュエータ１０６の振動領域の面積である。振動領域が半径ａの円形の場合は、Ｓ＝π＊ａ２である。
【００７２】
従って、付加イナータンスＭ’は、インク容器に液体が十分に収容され、アクチュエータ１０６の振動領域の周辺に液体が満たされている場合には、式４に従う。一方で、液体が消費され、キャビティ１６２内に液体が残留しつつアクチュエータ１０６の振動領域の周辺にある液体が気体または真空に置換された場合には、式６に従う。
【００７３】
ここで、図２（Ｅ）のように、インク容器の液体が消費され、アクチュエータ１０６の振動領域の周辺に液体が無いものの、アクチュエータ１０６のキャビティ１６２内には液体が残存している場合の付加イナータンスＭ’を、便宜的にＭ’ｃａｖとし、アクチュエータ１０６の振動領域の周辺に液体が満たされている場合の付加イナータンスＭ’ｍａｘと区別する。
【００７４】
図２（Ｆ）は、インク容器の液体が消費され、アクチュエータ１０６の振動領域の周辺に液体が無いものの、アクチュエータ１０６のキャビティ１６２内には液体が残存している図２（Ｅ）の場合のアクチュエータ１０６の振動部およびキャビティ１６２の等価回路を示す。
【００７５】
ここで、媒体の状態に関係するパラメータは、式６において、媒体の密度ρおよび媒体の厚さｔである。インク容器内に液体が充分に収容されている場合は、アクチュエータ１０６の振動部に液体が接触する。一方、インク容器内に液体が充分に収容されていない場合は、キャビティ内部に液体が残存するか、もしくは、アクチュエータ１０６の振動部に気体または真空が接触する。アクチュエータ１０６の周辺の液体が消費され、図２（Ｃ）のＭ’ｍａｘから図２（Ｅ）のＭ’ｃａｖへ移行する過程における付加イナータンスＭ’ｖａｒは、インク容器内の液体の収容状態によって媒体の密度ρや媒体の厚さｔが変化することに伴って変化する。これにより、共振周波数ｆｓも変化する。従って、共振周波数ｆｓを特定することによって、インク容器内の液体の量を検出することができる。
【００７６】
ここで、図２（Ｅ）に示すようにｔ＝ｄとした場合、式６を用いてＭ’ｃａｖを表すと、式６のｔにキャビティの深さｄを代入し、
Ｍ’ｃａｖ＝ρ＊ｄ／Ｓ              （式７）
となる。
【００７７】
また、媒体が互いに種類の異なる液体であれば、組成の違いによって密度ρが異なるため、付加イナータンスＭ´及び共振周波数ｆｓが異なる。従って、共振周波数ｆｓを特定することで、液体の種類を検出できる。
【００７８】
図３（Ａ）は、インクタンク内のインクの量とインクおよび振動部の共振周波数ｆｓとの関係を示すグラフである。ここでは液体の１例としてインクについて説明する。縦軸は、共振周波数ｆｓを示し、横軸は、インク量を示す。インク組成が一定であるとき、インク残量の低下に伴い、共振周波数ｆｓは、上昇する。
【００７９】
インク容器にインクが十分に収容され、アクチュエータ１０６の振動領域の周辺にインクが満たされている場合には、その最大付加イナータンスＭ’ｍａｘは、式４に表わされる値となる。一方で、インクが消費され、キャビティ１６２内にインクが残留しつつアクチュエータ１０６の振動領域の周辺にインクが満たされていないときには、付加イナータンスＭ’ｖａｒ  は、媒体の厚さｔに基づいて式６によって算出される。式６中のｔは、振動にかかわる媒体の厚さであるから、インクが残留するアクチュエータ１０６のキャビティ１６２のｄ（図１（Ｂ）参照）を小さく、即ち、基板１７８を十分に薄くすることによって、インクが徐々に消費されていく過程を検出することもできる（図２（Ｃ）参照）。ここで、ｔｉｎｋは振動にかかわるインクの厚さとし、ｔｉｎｋ−ｍａｘはＭ’ｍａｘにおけるｔｉｎｋとする。
【００８０】
例えば、アクチュエータ１０６は、インクカートリッジの底面にインクの液面に対してほぼ水平に配置される。この場合、インクが消費され、インクの液面がアクチュエータ１０６からｔｉｎｋ−ｍａｘの高さ以下になると、式６によりＭ’ｖａｒが徐々に変化し、式１により共振周波数ｆｓが徐々に変化する。従って、インクの液面がｔの範囲内にある限り、アクチュエータ１０６はインクの消費状態を徐々に検出することができる。
【００８１】
あるいは、インクカートリッジの側壁に、アクチュエータ１０６はインクの液面に対してほぼ垂直に配備され得る。この場合、インクが消費され、インクの液面がアクチュエータ１０６の振動領域に達すると、水位の低下に伴い付加イナータンスＭ’が減少する。これにより、式１により共振周波数ｆｓが徐々に増加する。従って、インクの液面がキャビティ１６２の直径２ａ（図２（Ｃ）参照）の範囲内にある限り、アクチュエータ１０６はインクの消費状態を徐々に検出することができる。
【００８２】
図３（Ａ）の曲線Ｘは、底面に配置されたアクチュエータ１０６のキャビティ１６２を十分に浅くした場合や、側壁に配置されたアクチュエータ１０６の振動領域を十分に大きくまたは長くした場合の、インクタンク内に収容されたインクの量とインクおよび振動部の共振周波数ｆｓとの関係を表わしている。インクタンク内のインクの量が減少するとともに、インクおよび振動部の共振周波数ｆｓが徐々に変化していく様子が理解できる。
【００８３】
より詳細には、インクが徐々に消費されていく過程を検出することができる場合とは、アクチュエータ１０６の振動領域の周辺において、互いに密度が異なる液体と気体とがともに存在しかつ振動にかかわる場合である。インクが徐々に消費されていくに従って、アクチュエータ１０６の振動領域周辺において振動にかかわる媒体は、液体が減少する一方で気体が増加する。
【００８４】
例えば、アクチュエータ１０６をインクの液面に対して水平に配備した場合であって、ｔｉｎｋ  がｔｉｎｋ−ｍａｘより小さいときには、アクチュエータ１０６の振動にかかわる媒体はインクと気体との両方を含む。したがって、アクチュエータ１０６の振動領域の面積Ｓを用いて、式４のＭ’ｍａｘ以下になった状態をインクと気体の付加質量で表すと、
0003613192.tif 000006
となる。ここで、Ｍ’ａｉｒは空気のイナータンスであり、Ｍ’ｉｎｋはインクのイナータンスである。ρａｉｒは空気の密度であり、ρｉｎｋはインクの密度である。ｔａｉｒは振動にかかわる空気の厚さであり、ｔｉｎｋは振動にかかわるインクの厚さである。
【００８５】
アクチュエータ１０６の振動領域周辺における振動にかかわる媒体のうち、液体が減少して気体が増加するに従い、アクチュエータ１０６がインクの液面に対しほぼ水平に配備されている場合には、ｔａｉｒが増加し、ｔｉｎｋが減少する。それによって、Ｍ’ｖａｒが徐々に減少し、共振周波数が徐々に増加する。よって、インクタンク内に残存しているインクの量またはインクの消費量を検出することができる。尚、式７において液体の密度のみの式となっているのは、液体の密度に対して、空気の密度が無視できるほど小さい場合を想定しているからである。
【００８６】
アクチュエータ１０６がインクの液面に対しほぼ垂直に配備されている場合には、アクチュエータ１０６の振動領域のうち、アクチュエータ１０６の振動にかかわる媒体がインクのみの領域と、アクチュエータ１０６の振動にかかわる媒体が気体のみの領域との並列の等価回路（図示せず）と考えられる。アクチュエータ１０６の振動にかかわる媒体がインクのみの領域の面積をＳｉｎｋとし、アクチュエータ１０６の振動にかかわる媒体が気体のみの領域の面積をＳａｉｒとすると、
0003613192.tif 000007
となる。
【００８７】
尚、式９は、アクチュエータ１０６のキャビティにインクが保持されない場合に適用される。アクチュエータ１０６のキャビティにインクが保持される場合の付加イナータンスについては、式９によるＭ’と式７のＭ’ｃａｖ  との和によって計算することができる。
【００８８】
アクチュエータ１０６の振動は、ｔｉｎｋ−ｍａｘの深さからインクの残留する深さｄまで変化するので、インクの残留する深さがｔｉｎｋ−ｍａｘよりわずかに小さい程度でアクチュエータ１０６が底面に配置されている場合には、インクが徐々に減少する過程を検出することは出来ない。この場合、ｔｉｎｋ−ｍａｘから残留する深さｄまでのわずかなインク量変化におけるアクチュエータの振動変化から、インク量が変化したことを検出する。また、側面に配置され、開口部（キャビティ）の径が小さい場合は、開口部を通過する間のアクチュエータの振動変化は微量なので、通過過程のインク量を検出することは難しく、インク液面が開口部より上か下かを検出する。
【００８９】
例えば、図３（Ａ）の曲線Ｙは、小さい円形の振動領域の場合におけるインクタンク内のインクの量とインクおよび振動部の共振周波数ｆｓとの関係を示す。インクタンク内のインクの液面がアクチュエータの装着位置を通過する前後におけるインク量の差Ｑの間で、インクおよび振動部の共振周波数ｆｓが激しく変化している様子が示される。このことから、インクタンク内にインクが所定量残存しているか否かを２値的に検出することができる。
【００９０】
アクチュエータ１０６を用いて液体の有無を検出する方法は、振動板１７６が液体と直接接触することでインクの有無を検出するので、インクの消費量をソフトウェアによって計算する方法に比べ、検出精度が高い。更に、電極を用いて導電性によりインクの有無を検出する方法は、インク容器への電極の取付位置及びインクの種類によって影響され得るが、アクチュエータ１０６を用いて液体の有無を検出する方法は、インク容器へのアクチュエータ１０６の取付位置及びインクの種類によって影響され難い。
【００９１】
更に、単一のアクチュエータ１０６を用いて発振と液体の有無の検出との双方を実施することができるので、発振と液体の有無の検出とを異なったセンサを用いて実施する方法と比較して、インク容器に取付けるセンサの数を減少することができる。したがって、液量検出機能を持つインク容器を安価に製造できる。なお、圧電層１６０の振動周波数を非可聴領域に設定することで、アクチュエータ１０６の動作中に発生する音を静かにすることが好ましい。
【００９２】
図３（Ｂ）は、インクの密度とインクおよび振動部の共振周波数ｆｓとの関係の一例を示す。ここでは、液体の例としてインクについて説明しており、「インク満」と「インク空」（或いは「インク無し」）とは相対的な２状態を意味し、いわゆるインクフル状態とインクエンド状態とを意味するものではない。図３（Ｂ）に示すように、インク密度が高い場合、付加イナータンスが大きくなるので共振周波数ｆｓが低下する。すなわち、インクの種類によって共振周波数ｆｓが異なる。したがって、共振周波数ｆｓを測定することによって、インクを再充填する際に、密度の異なったインクが混入されていないか確認することができる。つまり、互いに種類の異なるインクを収容するインクタンクを識別できる。
【００９３】
続いて、インク容器内の液体が空の状態であってもアクチュエータ１０６のキャビティ１６２内に液体が残存するようにキャビティのサイズと形状を設定した時において、液体の状態を正確に検出できる条件を詳述する。アクチュエータ１０６は、キャビティ１６２内に液体が満たされている場合に液体の状態を検出できれば、キャビティ１６２内に液体が満たされていない場合であっても液体の状態を検出できる。
【００９４】
共振周波数ｆｓは、イナータンスＭの関数である。イナータンスＭは、振動部のイナータンスＭａｃｔと付加イナータンスＭ’との和である。ここで、付加イナータンスＭ’が液体の状態と関係する。付加イナータンスＭ’は、振動部の付近にある媒体によって振動部の質量が見かけ上増加していることを示す量である。即ち、振動部の振動によって見かけ上媒体を吸収する（振動に関わるイナータンスが増加する）ことによる振動部の質量の増加分をいう。
【００９５】
従って、Ｍ’ｃａｖ  が式４におけるＭ’ｍａｘ  よりも大きい場合には、見かけ上吸収する媒体は全てキャビティ１６２内に残存する液体である。よって、インク容器内に液体が満たされている状態と同じである。この場合、振動に関わる媒体はＭ’ｍａｘ  よりも小さくならないので、インクが消費されても変化を検出することが出来ない。
【００９６】
一方、Ｍ’ｃａｖが式４におけるＭ’  ｍａｘよりも小さい場合には、見かけ上吸収する媒体はキャビティ１６２内に残存する液体およびインク容器内の気体または真空である。このときにはインク容器内に液体が満たされている状態とは異なりＭ’が変化するので、共振周波数ｆｓが変化する。従って、アクチュエータ１０６は、インク容器内の液体の状態を検出できる。
【００９７】
即ち、インク容器内の液体が空の状態で、アクチュエータ１０６のキャビティ１６２内に液体が残存する場合に、アクチュエータ１０６が液体の状態を正確に検出できる条件は、Ｍ’ｃａｖがＭ’ｍａｘよりも小さいことである。尚、アクチュエータ１０６が液体の状態を正確に検出できる条件Ｍ’ｍａｘ＞Ｍ’ｃａｖは、キャビティ１６２の形状にかかわらない。
【００９８】
ここで、Ｍ’ｃａｖ  は、キャビティ１６２の容量とほぼ等しい容量の液体の質量イナータンスである。従って、Ｍ’ｍａｘ  ＞Ｍ’ｃａｖ  の不等式から、アクチュエータ１０６が液体の状態を正確に検出できる条件は、キャビティ１６２の容量の条件として表すことができる。例えば、円形状のキャビティ１６２の開口１６１の半径をａとし、およびキャビティ１６２の深さをｄとすると、
Ｍ’ｍａｘ＞ρ＊ｄ／πａ２      （式１０）
である。式１０を展開すると
ａ／ｄ＞３＊π／８      （式１１）
という条件が求められる。従って、式１１を満たす開口１６１の半径ａおよびキャビティ１６２の深さｄであるキャビティ１６２を有するアクチュエータ１０６であれば、インク容器内の液体が空の状態であって、かつ、キャビティ１６２内に液体が残存する場合であっても、誤作動することなく液体の状態を検出できる。
【００９９】
尚、式１０、式１１は、キャビティ１６２の形状が円形の場合に限り成立する。キャビティ１６２の形状が円形でない場合、対応するＭ’ｍａｘの式を用い、式１０中のπａ２  をその面積と置き換えて計算すれば、キャビティの幅および長さ等のディメンジョンと深さの関係が導き出せる。
【０１００】
なお、付加イナータンスＭ’は音響インピーダンス特性にも影響するので、残留振動によりアクチュエータ１０６に発生する逆起電力を測定する方法は、少なくとも音響インピーダンスの変化を検出しているともいえる。
【０１０１】
図４（Ａ）  および図４（Ｂ）は、アクチュエータ１０６に駆動信号を供給して振動部を振動させた後の、アクチュエータ１０６の残留振動の波形と残留振動の測定方法とを示す。インクカートリッジ内のアクチュエータ１０６の装着位置レベルにおけるインク液位の上下は、アクチュエータ１０６が発振した後の残留振動の周波数変化や、振幅の変化によって検出することができる。図４（Ａ）  および図４（Ｂ）において、縦軸はアクチュエータ１０６の残留振動によって発生した逆起電力の電圧を示し、横軸は時間を示す。アクチュエータ１０６の残留振動によって、図４（Ａ）  および図４（Ｂ）に示すように電圧のアナログ信号の波形が発生する。次に、アナログ信号を、信号の周波数に対応するデジタル数値に変換（二値化）する。図４（Ａ）および図４（Ｂ）に示した例においては、アナログ信号の４パルス目から８パルス目までの４個のパルスが生じる時間を計測している。
【０１０２】
より詳細には、アクチュエータ１０６が発振した後、予め設定された所定の基準電圧を低電圧側から高電圧側へ横切る回数をカウントする。そして、４カウントから８カウントまでの間をＨｉｇｈとしたデジタル信号を生成し、所定のクロックパルスによって４カウントから８カウントまでの時間を計測する。
【０１０３】
図４（Ａ）は、アクチュエータ１０６の装着位置レベルよりも上位にインク液面があるときの波形である。一方、図４（Ｂ）はアクチュエータ１０６の装着位置レベルにおいてインクが無いときの波形である。図４（Ａ）と図４（Ｂ）とを比較すると、図４（Ａ）の方が図４（Ｂ）よりも４カウントから８カウントまでの時間が長いことがわかる。換言すると、インクの有無によって４カウントから８カウントまでの所要時間が異なる。この所要時間の相違を利用して、インクの消費状態を検出することができる。
【０１０４】
アナログ波形の４カウント目から数えるのは、アクチュエータ１０６の振動が安定してから計測をはじめるためである。４カウント目からとしたのは単なる一例であって、任意のカウントから数えてもよい。ここでは、４カウント目から８カウント目までの信号を検出し、所定のクロックパルスによって４カウント目から８カウント目までの時間を測定している。この時間に基いて、共振周波数を求めることができる。クロックパルスは、８カウント目までの時間を測定する必要は無く、任意のカウントまで数えてもよい。図４においては、４カウント目から８カウント目までの時間を測定しているが、周波数を検出する回路構成にしたがって、異なったカウント間隔内の時間を検出してもよい。
【０１０５】
例えば、インクの品質が安定していてピークの振幅の変動が小さい場合には、検出の速度を上げるために４カウント目から６カウント目までの時間を検出することにより共振周波数を求めてもよい。また、インクの品質が不安定でパルスの振幅の変動が大きい場合には、残留振動を正確に検出するために４カウント目から１２カウント目までの時間を検出してもよい。
【０１０６】
図５は、アクチュエータ１０６を取付モジュール体１００として一体形成した構成を示す斜視図である。モジュール体１００は、インクカートリッジのインク容器１の所定個所に装着される。モジュール体１００は、インク液中の少なくとも音響インピーダンスの変化を検出することにより、容器１内の液体の消費状態を検知するように構成されている。
【０１０７】
本実施形態のモジュール体１００は、インク容器１にアクチュエータ１０６を取り付けるためのインク容器取付部１０１を有する。インク容器取付部１０１は、平面がほぼ矩形の基台１０２と、駆動信号により発振するアクチュエータ１０６を収容する基台１０２上の円柱部１１６と、を有している。また、モジュール体１００は、インクカートリッジに装着されたときに、モジュール体１００のアクチュエータ１０６が外部から接触できないように構成されている。これにより、アクチュエータ１０６を外部の接触から保護することができる。なお、円柱部１１６の先端側エッジは丸みが付けられていて、インクカートリッジに形成された孔へ装着する際に嵌めやすくなっている。
【０１０８】
図６は、図５に示したモジュール体１００の分解図である。モジュール体１００は、樹脂からなるインク容器取付部１０１と、プレート１１０および凹部１１３を有する圧電装置装着部１０５（図５参照）とを含む。さらに、モジュール体１００は、リードワイヤ１０４ａ及び１０４ｂ、アクチュエータ１０６及びフィルム１０８を有する。好ましくは、プレート１１０は、ステンレス又はステンレス合金等の錆びにくい材料から形成される。
【０１０９】
インク容器取付部１０１に含まれる円柱部１１６および基台１０２は、リードワイヤ１０４ａ及び１０４ｂを収容できるように中心部に開口部１１４が形成されると共に、アクチュエータ１０６、フィルム１０８、及びプレート１１０を収容できるように開口部１１４の周囲に凹部１１３が形成されている。
【０１１０】
アクチュエータ１０６は、プレート１１０にフィルム１０８を介して接合され、プレート１１０およびアクチュエータ１０６は凹部１１３（インク容器取付部１０１）に固定される。従って、リードワイヤ１０４ａ及び１０４ｂ、アクチュエータ１０６、フィルム１０８及びプレート１１０は、インク容器取付部１０１に一体として取り付けられる。
【０１１１】
リードワイヤ１０４ａ及び１０４ｂは、それぞれアクチュエータ１０６の上部電極及び下部電極と結合して、圧電層に駆動信号を伝達する一方、アクチュエータ１０６が検出した共振周波数の信号を記録装置等へ伝達する。
【０１１２】
アクチュエータ１０６は、リードワイヤ１０４ａ及び１０４ｂから伝達された駆動信号に基づいて、一時的に発振する。また、アクチュエータ１０６は、発振後に残留振動し、その振動によって逆起電力を発生させる。このとき、逆起電力波形の振動周期を検出することによって、インク容器内の液体の消費状態に対応した共振周波数を検出することができる。
【０１１３】
フィルム１０８は、アクチュエータ１０６とプレート１１０とを接着して、アクチュエータを液密にする。フィルム１０８は、ポリオレフィン等によって形成し、熱融着で接着することが好ましい。アクチュエータ１０６とプレート１１０とをフィルム１０８によって面状に接着して固定することにより、接着の場所によるばらつきが無くなり、振動部以外の部分が振動しない。したがって、アクチュエータ１０６をプレート１１０に接着しても、アクチュエータ１０６の振動特性は変化しない。
【０１１４】
なお、プレート１１０は円形状であり、基台１０２の開口部１１４は円筒状に形成されている。アクチュエータ１０６及びフィルム１０８は矩形状に形成されている。リードワイヤ１０４ａ及び１０４ｂ、アクチュエータ１０６、フィルム１０８及びプレート１１０は、基台１０２に対して着脱可能としてもよい。基台１０２、リードワイヤ１０４ａ及び１０４ｂ、アクチュエータ１０６、フィルム１０８及びプレート１１０は、モジュール体１００の中心軸に対して対称に配置されている。また、基台１０２、アクチュエータ１０６、フィルム１０８及びプレート１１０の中心は、モジュール体１００のほぼ中心軸上に配置されている。
【０１１５】
また、基台１０２の開口部１１４の面積は、アクチュエータ１０６の振動領域の面積よりも大きく形成されている。プレート１１０の中心でアクチュエータ１０６の振動部に直面する位置には、貫通孔１１２が形成されている。図１および図２に示したように、アクチュエータ１０６にはキャビティ１６２が形成されており、貫通孔１１２とキャビティ１６２とが、共にインク溜部を形成する。プレート１１０の厚さは、残留インクの影響を少なくするために、貫通孔１１２の径に比べて小さいことが好ましい。例えば、貫通孔１１２の深さはその径の３分の１以下の大きさであることが好ましい。貫通孔１１２は、モジュール体１００の中心軸に対して対称なほぼ真円の形状である。また、貫通孔１１２の面積は、アクチュエータ１０６のキャビティ１６２の開口面積よりも大きい。貫通孔１１２の断面の周縁は、テーパ形状であっても良いし、ステップ形状であってもよい。
【０１１６】
モジュール体１００は、貫通孔１１２がインク容器１の内側へ向くように、インク容器１の側部、上部又は底部に装着される。インクが消費され、アクチュエータ１０６周辺のインクがなくなると、アクチュエータ１０６の共振周波数が大きく変化することに基づいて、インクの液位変化を検出することができる。
【０１１７】
図７は、図５に示したモジュール体１００をインク容器１に装着したときの、インク容器の底部近傍の断面図である。モジュール体１００は、インク容器１の側壁を貫通するように装着されている。インク容器１の側壁とモジュール体１００との接合面には、Ｏリング３６５が設けられ、モジュール体１００とインク容器１との液密を保っている。このようにＯリングでシールが出来るために、モジュール体１００は、図５で説明したような円柱部を備えることが好ましい。
【０１１８】
モジュール体１００の先端がインク容器１の内部に挿入されることで、プレート１１０の貫通孔１１２を介して、インク容器１内のインクがアクチュエータ１０６と接触する。アクチュエータ１０６の振動部の周囲が液体か気体かによって、アクチュエータ１０６の残留振動の共振周波数が異なるので、モジュール体１００を用いてインクの消費状態を検出することができる。
【０１１９】
図８は、図１に示したアクチュエータ１０６を用いたインクカートリッジ及びインクジェット式記録装置の実施形態を示す。複数のインクカートリッジ１８０は、それぞれのインクカートリッジ１８０に対応した複数のインク導入部１８２及びホルダー１８４を有するインクジェット式記録装置に装着される。複数のインクカートリッジ１８０は、それぞれ異なった種類、例えば異なった色のインクを収容する。複数のインクカートリッジ１８０のそれぞれの底面には、少なくとも音響インピーダンスを検出する手段であるアクチュエータ１０６が装着されている。アクチュエータ１０６をインクカートリッジ１８０に装着することによって、インクカートリッジ１８０内のインク残量を検出することができる。
【０１２０】
図９は、インクジェット式記録装置の記録ヘッド及びその周辺の詳細を示す。インクジェット式記録装置は、インク導入部１８２、ホルダー１８４、ヘッドプレート１８６及びノズルプレート１８８を有する。インクを噴射するノズル１９０が、ノズルプレート１８８に複数形成されている。
【０１２１】
インク導入部１８２は、空気供給口１８１とインク導入口１８３とを有する。空気供給口１８１は、インクカートリッジ１８０に空気を供給する。インク導入口１８３には、インクカートリッジ１８０からインクが導入される。
【０１２２】
インクカートリッジ１８０は、空気導入口１８５とインク供給口１８７とを有する。空気導入口１８５には、インク導入部１８２の空気供給口１８１から空気が導入される。インク供給口１８７は、インク導入部１８２のインク導入口１８３にインクを供給する。インクカートリッジ１８０に空気導入口１８５から空気を導入することによって、インクカートリッジ１８０からインク導入部１８２へのインクの供給が促される。ホルダー１８４は、インクカートリッジ１８０からインク導入部１８２を介して供給されたインクをヘッドプレート１８６に連通するものである。
【０１２３】
図１０は、本実施形態によるインクジェット式記録装置の主要部分のシステム構成を示した図であり、図１０に示したようにインクカートリッジ１８０にはアクチュエータ１０６が装着されている。アクチュエータ１０６は、インクカートリッジ１８０のインク容器のインク収容空間に少なくとも一部を露出させ得る振動部を有し、駆動信号が供給されることにより前記振動部を振動させる機能と共に、前記振動部の振動状態に応じた逆起電力の信号を出力する機能を有する。
【０１２４】
制御装置本体２００は、インクジェット式記録装置を制御するコンピュータで構成される。制御装置本体２００はインクジェット記録装置に設けられていても良いし、或いは、制御装置本体２００の一部又は全部の機能が、インクジェット式記録装置に接続された他のコンピュータ等の外部装置に設けられていても良い。さらに、制御装置本体２００の一部の機能が、プログラムとしてコンパクトディスク等の記録媒体２０３に格納され、ドライブ装置等の入力装置２０４を介して供給されても良い。
【０１２５】
制御装置本体２００は、アクチュエータ１０６の振動部に対向する空間に存在するインクの量を判定する液量判定手段２０５を有する。この液量判定手段２０５は、アクチュエータ１０６に駆動信号を供給して振動部を振動させた後の振動部の残留振動に起因してアクチュエータ１０６から出力される残留振動信号の共振周波数に基づいてて液量を判定する。
【０１２６】
液量判定手段２０５は、残留振動信号中のパルスの数を計測すると共に、パルス数のカウント開始時点から、所定数のパルスをカウントする時点までの所要時間を計測するカウンタ部２１２を有する。カウンタ部２１２は３つのカウンタを備えており、カウント開始時点を少しづつずらしながら、パルス数のカウントを３回実施する。
【０１２７】
さらに、液量判定手段２０５はエラー検出部２１３を備えており、このエラー検出部２１３は、前記所要時間についての３つの計測値同士の間に許容範囲を超える不一致がある場合には判定異常と判断する機能を有する。
【０１２８】
好ましくは、液量判定手段２０５は、図２（Ｅ）に示したようにキャビティ１６２の中には液体が存在するがキャビティ１６２の外側には液体が存在しない場合と、図２（Ｃ）に示したようにキャビティ１６２の部分のみならず、その前方が液体で満たされている場合とで残留振動信号の共振周波数が変化することを利用して、インクの液面が圧電装置１０６の振動部を通過したか否かを判定することができる。
【０１２９】
制御装置本体２００は、さらに、印刷動作部２０６を制御する印刷動作制御部２０７、印刷データ記憶部２０８及び消費情報提示部２０９を含む。消費情報提示部２０９は、液量判定手段２０５が検出した消費状態情報を、ディスプレイ２１０及びスピーカ２１１を用いてユーザに提示する。例えば、ディスプレイ２１０には消費状態を示す図形等が表示され、スピーカ２１１からはインク残量を示す報知音又は合成音声が出力される。合成音声により、適切な操作が案内されてもよい。
【０１３０】
消費状態はユーザの要求に応えて提示されてもよい。また、適当な間隔をおいて周期的に提示されても良い。また、適当なイベント、例えば印刷開始等のイベントが生じたときに提示されても良い。また、インク残量が所定の閾値（例えばインクエンドに相当する閾値）になったときに自動的に提示されても良い。
【０１３１】
図１１は、液量判定手段２０５を構成する回路図の一例を示し、この回路には３つのカウンタ３００、３０１、３０２及びエラー検出部２１３が含まれている。エラー検出部２１３は、最下位ビットは測定誤差として無視している。
【０１３２】
図１２及び図１３は、アクチュエータ１０６及び液量判定手段２０５から成る本実施形態の液量監視装置の作用を説明するための波形図であり、図１２は液量判定手段２０５による判定が正常に行われた場合を示し、図１３は判定異常の場合を示している。図１３に示した例では、アクチュエータ１０６の出力波形（アクチュエータ出力波形）のノイズがのっている。
【０１３３】
図１２及び図１３に示したように、コンパレータ出力の最初の４発は、アクチュエータ１０６の出力波形が安定しないので無視している。また、カウンタ１は５発目から２発分、カウンタ２は６発目から２発分、カウンタ３は７発目から２発分の所要時間をそれぞれ計測している。
【０１３４】
そして、３つのカウンタのそれぞれのカウント開始時点を、第１回目の計測における前記所要時間の時間帯域と第３回目の計測における前記所要時間の時間帯域とが重ならず、第２回目の計測における前記所要時間の時間帯域が第１回目及び第３回目の計測における前記所要時間の時間帯域のそれぞれに重なるように少しずつずらしている。
【０１３５】
図１２から分かるように、液量判定手段２０５による判定が正常に行われる場合には、３つのカウンタで計測した前記所要時間の３つの計測値が等しくなる。一方、図１３から分かるように、アクチュエータ１０６からの残留振動信号にノイズがのった場合には、３つのカウンタで計測した前記所要時間３つの計測値の間に不一致が発生する。
【０１３６】
したがって、３つのカウンタの計測値が一定の測定誤差範囲内におさまっていればその計測結果は信頼することができる。一方、３つのカウンタの計測値同士の間に許容範囲を超える不一致がある場合には、ノイズにより影響を受けたと判断することができる。
【０１３７】
図１４は液量判定手段２０５における処理のフローチャートを示し、図１５は図１４中のカウント動作の部分における処理のフローチャートを示している。
【０１３８】
図１４に示したように、液量監視装置（インクレベルセンサ）の動作開始信号が発せられると（ステップ１）、再測定フラグがＬとされた後（ステップ２）、カウント動作が開始される（ステップ３）。そして、カウント動作においてエラーが発生したか否かを判定し（ステップ４）、エラーが発生していない場合には正常終了とする（ステップ５）。
【０１３９】
一方、エラーが発生した場合には、再測定フラグがＬか否かを確認し（ステップ６）、再測定フラグがＬではない場合には検出失敗とする（ステップ７）。また、再測定フラグがＬの場合には、再測定フラグをＨとした後（ステップ８）、キャリッジが停止しているか否かを判断する（ステップ９）。キャリッジが停止していない場合にはキャリッジが停止するまで待ち（ステップ１０）、キャリッジが停止している場合にはインク吐出が停止しているか否かを判断する（ステップ１１）。インク吐出が停止していない場合には停止するまで待ち（ステップ１２）、インク吐出が停止している場合にはカウント動作（ステップ３）に戻って再度測定を実施する。
【０１４０】
カウント動作の処理を示す図１５において、記号αはカウンタ１の動作前に無視するパルス数を示し、記号βはカウンタ１が動き始めてからカウンタ２が動き始めるまでのパルス数を示し、記号γはカウンタ１が動き始めてからカウンタ３が動き始めるまでのパルス数を示し、記号δはカウンタがカウントするパルス数を示す。
【０１４１】
図１５に示したようにカウンタ１ではパルス数がαか否かを判定して（ステップ２０）、パルス数がαとなったらカウント動作を開始する（ステップ２１）。そして、パルス数がα＋δか否かを判定して（ステップ２２）、パルス数がα＋δになったらカウンタ１を停止する（ステップ２３）。
【０１４２】
また、カウンタ２ではパルス数がα＋βか否かを判定して（ステップ３０）、パルス数がα＋βとなったらカウント動作を開始する（ステップ３１）。そして、パルス数がα＋β＋δか否かを判定して（ステップ３２）、パルス数がα＋β＋δになったらカウンタ２を停止する（ステップ３３）。
【０１４３】
さらに、カウンタ３ではパルス数がα＋γか否かを判定して（ステップ４０）、パルス数がα＋γとなったらカウント動作を開始する（ステップ４１）。そして、パルス数がα＋γ＋δか否かを判定して（ステップ４２）、パルス数がα＋γ＋δになったらカウンタ３を停止する（ステップ４３）。
【０１４４】
３つのカウンタのすべてが停止したら、カウンタ１，２，３の上位有効ビットが一致したか否かを判定し（ステップ５０）、一致しない場合にはエラー発生を通知し（ステップ５１）、一致した場合には終了する。
【０１４５】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、液量判定手段は、圧電装置からの残留振動信号中の所定数のパルスを、カウント開始時点をずらしながら少なくとも３回カウントしてそれぞれの所要時間を測定し、それらの測定値同士の間に許容範囲を超える不一致がある場合には判定異常と判断するようにしたので、圧電装置の出力信号にノイズがのりやすいような環境下においても、液量監視装置によって高い信頼性の下で液量を監視することができる。特に、インクジェット式記録装置のインクカートリッジ内のインク量を監視するような場合には、記録ヘッドを搭載したキャリッジの動作中やインクの吐出中に圧電装置の出力信号にノイズがのりやすいので、本発明による液量監視装置がとくに有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態における圧電装置（アクチュエータ）の詳細を示す図である。
【図２】図１に示した圧電装置の周辺およびその等価回路を示す図である。
【図３】図１に示した圧電装置によって検出されるインクの共振周波数とインクの密度との関係を示す図である。
【図４】図１に示した圧電装置の逆起電力波形を示す図である。
【図５】図１に示した圧電装置を組み込んだモジュール体を示す斜視図である。
【図６】図５に示したモジュール体の構成を示す分解図である。
【図７】図５に示したモジュール体をインク容器に装着した断面の例を示す図である。
【図８】図１に示した圧電装置を装着したインクカートリッジ及びインクジェット式記録装置を示す図である。
【図９】図１および図２に示した圧電装置を装着したインクジェット式記録装置の詳細を示す図である。
【図１０】本発明の一実施形態によるインクジェット式記録装置の主要部分のシステム構成を示した図である。
【図１１】本発明の一実施形態による液量監視装置の液量判定手段を構成する回路図の一例を示した図である。
【図１２】本発明の一実施形態による液量監視装置の作用を説明するための正常判定時の波形図である。
【図１３】本発明の一実施形態による液量監視装置の作用を説明するための異常判定時の波形図である。
【図１４】本発明の一実施形態による液量監視装置の液量判定手段における処理のフロートチャートを示した図である。
【図１５】図１４に示したフローチャート中のカウント動作の部分における処理のフローチャートを示した図である。
【符号の説明】
１  インク容器
１０６  圧電装置（アクチュエータ）
１６０  圧電層
１６２  キャビティ
１６４  上部電極
１６６  下部電極
１７６  振動板
１７８  基板（キャビティ形成部材）
１８０  インクカートリッジ
１８８  ノズルプレート
１９０  ノズル
２００  制御装置本体
２０５  液量判定手段
２１２  カウンタ部
２１３  エラー検出部
３００，３０１，３０２  カウンタ
【図１】
0003613192.tif 000008
【図２】
0003613192.tif 000009
【図３】
0003613192.tif 000010
【図４】
0003613192.tif 000011
【図５】
0003613192.tif 000012
【図６】
0003613192.tif 000013
【図７】
0003613192.tif 000014
【図８】
0003613192.tif 000015
【図９】
0003613192.tif 000016
【図１０】
0003613192.tif 000017
【図１１】
0003613192.tif 000018
【図１２】
0003613192.tif 000019
【図１３】
0003613192.tif 000020
【図１４】
0003613192.tif 000021
【図１５】
0003613192.tif 000022