(57)【要約】【課題】液体吐出ヘッドから吐出される液滴の飛行状態を連続的に計測する。【解決手段】液体吐出ヘッド１から吐出される液滴２に光源３から照明光を照射し、液滴像を光学系４を経てスリット５に投影し、スリット５を通過した光を光電変換ユニット６の受光センサに入射させて受光量を連続的に計測する。スリット５は、例えば、互いに平行な第１、第３のスリット開口１１、１３と斜め開口部である第２のスリット開口１２とをもつスリットパターン１０を有し、第１、第３のスリット開口１１、１３を液滴像が通る時間差によって液滴２の速度を算出し、第２のスリット開口１２を液滴像が通った時刻によって液滴２の通過位置を算出し、検出信号の幅と高さから微小球の寸法を算出する。算出した値は連続してメモリに記録する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
微小球の飛行状態をシルエット像によって計測する微小球測定方法において、
微小球のシルエット像を、その飛行方向に対して傾斜した斜め開口部をもつスリットに投影し、スリットを通過した光による検出信号を得る工程と、
得られた検出信号に基づいて、微小球の通過位置を演算する工程と、を有することを特徴とする微小球測定方法。
【請求項２】
微小球の飛行状態をシルエット像によって計測する微小球測定方法において、
微小球のシルエット像を、その飛行方向に対して直交する一対の平行スリット開口と、傾斜した斜めスリット開口とを有するスリットに投影し、スリットを通過した光による検出信号を得る工程と、
得られた検出信号に基づいて、一対の平行スリット開口をそれぞれ微小球のシルエット像が通過した時刻から微小球の飛行速度を算出し、斜めスリット開口を微小球のシルエット像が通過した時刻から微小球の通過位置を算出する工程と、を有することを特徴とする微小球測定方法。
【請求項３】
前記検出信号の幅と高さから微小球の寸法を算出する工程をさらに有することを特徴とする請求項２に記載の微小球測定方法。
【請求項４】
微小球の飛行状態をシルエット像によって計測する微小球測定方法において、
微小球のシルエット像を、その飛行方向に離間した第１および第２の三角形状のスリット開口を備えたスリットに投影し、スリットを通過した光による検出信号を得る工程と、
得られた検出信号に基づいて、第１および第２の三角形状のスリット開口をそれぞれ微小球のシルエット像が通過した時刻から微小球の飛行速度を算出し、第１および第２の三角形状のスリット開口をそれぞれ微小球のシルエット像が通過したときの信号値の和および差から微小球の大きさおよび通過位置をそれぞれ算出する工程と、を有することを特徴とする微小球測定方法。
【請求項５】
微小球の飛行経路に照明光を照射する光源と、前記照明光の照射領域を前記微小球が通過することによって得られるシルエット像を結像させる光学系と、前記光学系の結像位置において、前記シルエット像の飛行方向に対して直交する一対の平行スリット開口と傾斜した斜め開口部とをもつスリットと、前記スリットを通過した光を受光して光電変換し、検出信号を得る光電変換ユニットと、前記検出信号に基づいて前記微小球の飛行速度と通過位置と大きさとを演算する演算手段と、を有することを特徴とする微小球測定装置。
【請求項６】
微小球の飛行経路に照明光を照射する光源と、前記照明光の照射領域を前記微小球が通過することによって得られるシルエット像を結像させる光学系と、前記光学系の結像位置において、その飛行方向に離間した第１および第２の三角形状のスリット開口を備えたスリットと、前記スリットを通過した光を受光して光電変換し、検出信号を得る光電変換ユニットと、前記検出信号に基づいて前記微小球の飛行速度と通過位置と大きさとを演算する演算手段と、を有することを特徴とする微小球測定装置。
【請求項７】
前記微小球は液体吐出ヘッドから連続的に吐出される液滴であり、前記検出は連続して行われることを特徴とする請求項５または６に記載の微小球測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インクジェットプリンタ等記録装置に搭載される液体吐出ヘッドの特性評価等のために、連続して吐出する液滴等微小球の飛行状態を精密に測定する微小球測定方法および微小球測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
液体吐出方式のインクジェットプリンタ等記録装置においては、高画質化の追及により、液体吐出ヘッドのノズル径がますます小径化し、そのため吐出現象がインク等液体の物性値の変化に対してこれまで以上に敏感になっている。そのような状況の中で、連続して吐出しているときの液滴の状態変化を連続的に測定することは極めて重要であり、これによって、インク成分やヘッド駆動条件などの安定した吐出条件を割り出すことができる。
【０００３】
しかしながら従来は、紙にドットパタンをプリントして、パタンの相対位置関係から液滴の飛行方向を求めたり、ストロボやレーザとテレビカメラにより間引き撮影で入力した画像データから液滴の形状や吐出方向を算出していたために、液滴の吐出状態を連続的に測定することは困難であった。
【０００４】
例えば、特許文献１に開示された装置は、図５に示すように、液体吐出ヘッド９０１の流路９０２に液体供給室９０３からインクを供給し、発熱体９０４から発生される熱エネルギーによってノズル９０２Ａから吐出されるインク滴９０５を、ヘッド駆動部９０６に連動するストロボ９１０の発光によってＴＶカメラ９１２によって撮像し、メモリ部９０８に記録するとともにモニタＴＶ９１３の画面で確認し、液滴の画像処理を行うものである。
【０００５】
すなわち、ストロボ光源とカメラを用いて飛行中の液滴像を撮影し、液滴の通過位置や体積を測定している。
【０００６】
また、特許文献２には、テレセントリックレンズで倍率が変化しないようにして、ストロボ光源とカメラを用いて飛行中の液滴像を撮影し、液滴の通過位置や体積を測定し、特許文献３では、レーザを光源に用い、シート状の光で照明し、散乱された光を斜め方向からカメラで受光して液滴位置を測定する方法が開示されている。
【０００７】
さらに、特許文献４に開示された方法は、インク吐出方向の正面からカメラでノズルの位置に対する液滴位置を測定し、特許文献５では、紙にドットパタンをプリントして、パタンの相対位置関係から液滴の飛行方向を求めている。
【特許文献１】特開平０５−１４９７６９号公報
【特許文献２】特開２００１−１５０６９６号公報
【特許文献３】特開２００３−０８３７１４号公報
【特許文献４】特開２０００−０６２１５８号公報
【特許文献５】特開平０７−３２９３０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、紙にドットパタンをプリントする方法では、特に高濃度のプリント状態では、ドットの位置を測定することが不可能である。なぜなら、測定しようとするドットとその隣のドットとが密接してプリントされるため、つながってしまうからである。
【０００９】
また、カメラで飛行中の液滴を観察し計測する方法は、観察方法が様々に工夫されているものの、連続した吐出を連続的に測定するのは不可能である。例えば、高速度カメラを用いれば連続した吐出に見合う高速度撮影ができるが、一度に入力可能な画像枚数が限られており、連続した吐出状態を連続的に測定するのが難しい。また、一般のカメラでは画像処理を毎画像入力ごとに行って結果を連続的に出力できるものの、対応できる吐出周波数は１００Ｈｚ程度までで、それ以上の吐出周波数では連続処理はできない。
【００１０】
本発明は上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、液体吐出ヘッドから吐出される液滴等の微小球の飛行状態を連続的に計測できる微小球測定方法および微小球測定装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するため、本発明の微小球測定方法は、微小球の飛行状態をシルエット像によって計測する微小球測定方法において、微小球のシルエット像を、その飛行方向に対して傾斜した斜め開口部をもつスリットに投影し、スリットを通過した光による検出信号を得る工程と、得られた検出信号に基づいて、微小球の通過位置を演算する工程と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
斜め開口部を持つスリットおよびフォトダイオード等の受光センサを組み合わせた光学系を用いて、液滴等微小球のシルエット像をスリット上に結像させ、スリットを通過した光を連続的に受光センサで受光し光電変換する。このとき得られる検出信号には、微小球の位置情報が含まれるため、スリットパターンに合わせた信号処理をすることで、微小球の通過位置や飛行速度等を連続的に測定できる。
【００１３】
この方法でインク等液滴の飛行状態を連続的に計測することで、液体吐出ヘッドの吐出性能を正確に評価する装置を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１の（ａ）に示すように、液体吐出ヘッド１から連続的に吐出されている微小球である液滴２の飛行経路に、光源３から、均一で脈動のない照明光を照射し、シルエット像である液滴像を光学系４を経てスリット５に結像させ、スリット５を通った光を、光電変換ユニット６の受光センサで受光し、検出信号である電気信号に変換して演算手段であるコントローラ７に入力する。
【００１５】
コントローラ７は、液滴２の吐出制御や光源３の明るさの制御を行い、得られた電気信号から液滴の通過位置等を連続的に計測し、コントローラ７内部のメモリに記録すると同時に、表示器８に出力する。
【００１６】
光源３からの照明光は液滴２を後方から照明し、スリット５上の液滴像は影（シルエット像）として結像される。
【００１７】
光源３は、ハロゲンランプやメタルハライドランプのような安定した発光源を用いる。あるいはレーザでもよい。
【００１８】
スリット５の開口形状は、例えば、図１の（ｂ）に示すように第１ないし第３のスリット開口１１、１２、１３をＺ字形に配置し、液滴像が各スリット開口を順番に横切るように構成したスリットパターン１０を用いる。液滴像の飛行方向に直交する平行スリット開口である第１および第３のスリット開口１１、１３を液滴像が通過した時刻から、液滴２の速度（飛行速度）を測定し、斜めスリット開口（斜め開口部）である第２のスリット開口１２を通過したときの時刻から、液滴２の通過位置を算出する。
【００１９】
あるいは、図１の（ｃ）に示すように、液滴像の飛行方向に離間した２個の三角形状のスリット開口２１、２２を上下左右反対向きすなわち軸対称に配設したスリットパターン２０を用いて、液滴像が２個のスリット開口２１、２２を順番に横切る時の２つの信号値の和から液滴２の大きさを算出し、２つの信号値の差から通過位置を算出する。
【００２０】
また照明方法として、本発明のような液滴のシルエットがスリットに結像するような照明を用いることで、検出パルスの大きさと、微小液滴球の大きさとの対応関係を良好にすることができる。これは液滴による散乱光では散乱角度による光量変化の影響が大きいのに対して、照明によりシルエット像を検出するほうが、そのような散乱角度による影響が小さくなるため、微小液滴球の大きさ測定の精度がよい。
【実施例１】
【００２１】
本実施例は、図１の（ｂ）に示すスリットパターン１０を用いる。
【００２２】
図１の（ａ）に示す装置において、液滴２が液体吐出ヘッド１より吐出されて矢印で示すように図示上方から下方へ飛ぶとき、光源３により液滴２を照明する。光源３は測定対象である液滴２を挟んで受光光学系４と対向する位置に配置した透過照明となっている。光学系４で結像される液滴像（シルエット像）は倒立像であるから、図２の（ａ）に示す第１ないし第３のスリット開口１１〜１３を下から上に向かって進む。液滴２の飛行中に第１ないし第３のスリット開口１１〜１３を液滴像が横切るときだけ光電変換ユニット６の受光量が小さくなり、例えば図示左側を通過するときは、図２の（ｂ）に示すような信号波形が光電変換ユニット６から出力される。
【００２３】
すなわち、液滴像がスリット開口１１〜１３を通過する時刻で出力が小さくなるため、液滴像がこれら３本のスリット開口１１〜１３を順次通過する過程で、１個の液滴について３個のパルス状の信号が得られる。ここで、最初にスリット開口１１を通過するときのパルスをパルス１１、スリット開口１２を通過するときのパルスをパルス１２、スリット開口１３を通過するときのパルスをパルス１３とすると、第１のスリット開口１１と第３のスリット開口１３は平行に配置してあるので、パルス１１からパルス１３までの時間差が液滴２の飛行速度（液滴速度）を表す。すなわち、以下の式による関係が成立する。
（液滴速度）＝（スリット開口１１からスリット開口１３までの距離）÷（光学倍率）÷（パルス１１からパルス１３までの時間差）
【００２４】
図２の（ａ）において左寄りを液滴像が通過した場合は、（ｂ）に示すようにパルス１２はパルス１１寄りの波形として観測され、逆に液滴像が図２の（ａ）において右寄りを通過した場合は、（ｃ）に示すようにパルス１２が遅れるので、パルス１３寄りの波形として観測される。スリット開口１２は斜めに配置されているので、パルス１１とパルス１３の中央を時刻０としたパルス１２の発生時刻と、液滴像がスリット中心に対してどこを通過したかという通過位置が比例関係になる。すなわち、以下の式による関係が成立する。
（液滴の通過位置）＝（パルス１２の発生時刻）×（比例係数）
【００２５】
ただし、比例係数は以下の式で表される。
（比例係数）＝（スリット開口１２の横方向長さ）÷（パルス１１とパルス１３の時間差）
【００２６】
このようにして、液滴速度と通過位置を測定することができる。コントローラ７の中では、コンパレータで検出信号を閾値以上か以下かのデジタルパルス信号に変換し、最初のパルスの発生時刻ｔ１、次のパルスの発生時刻ｔ２、３つめのパルスの発生時刻ｔ３をラッチするレジスタがあり、これらの時刻ｔ１〜ｔ３をメモリに連続的に記録すると同時に、上述した計算式に従ってハードウエアで演算処理することで、液滴速度と通過位置を求めて表示ユニット８に出力する。
【００２７】
なお、演算は高速のマイクロプロセッサでソフトウエア処理することも可能であり、２値化した信号の立ち上がりではなく、多値信号のままパルスの重心演算を行い、各パルスの発生時刻ｔ１〜ｔ３を求めることも可能である。
【００２８】
また、第１ないし第３のスリット開口１１、１２、１３のそれぞれ後方に別々の光電変換ユニットを３台配置し、パルス１１、パルス１２、パルス１３を別々の信号チャンネルに分離してコントローラ７に入力するようにしてもよい。この場合は、連続した次の液滴が、第１のスリット開口１１と第３のスリット開口１３との間隔よりも接近して飛行してくる場合、パルス１１、パルス１２、パルス１３の分離が容易になるので、より高い吐出周波数まで測定できるメリットがある。
【００２９】
また、本実施例により得られる信号波形から、微小液滴球の大きさを求めることもできる。図４の（ａ）は、微小液滴球の大きさが変化したときの検出信号波形の変化の理論値を示す。ここでは検出に５μｍ幅のスリットを用いたときの例である。この信号の９０％を閾値として算出したパルス幅と、微小液滴球の大きさとの対応をプロットすると図４の（ｂ）となり、ほぼ直線上にのる。そこで大きさを求めるには、検出信号波形のパルス幅を測定し、そのパルス幅に対する微小液滴球の大きさを逆算すればよい。または、パルス幅と微小液滴球の大きさとの対応テーブルを予め作成しておき、これを参照することによっても微小球の大きさが求められる。
【００３０】
このようにして、液体吐出ヘッドから連続して吐出されるインク等液滴の吐出速度や吐出方向、および液滴の大きさを連続的に測定し、液体吐出ヘッドの吐出性能を正確に評価することが可能となる。
【実施例２】
【００３１】
本実施例は、図１の（ｃ）に示すスリットパターン２０を用いる。
【００３２】
図１の（ａ）に示す装置において、液滴２が液体吐出ヘッド１より吐出されて矢印で示すように上から下へ向かって飛ぶとき、光源３により液滴２を照明する。光源３は測定対象である液滴２を挟んで受光光学系４と対向する位置に配置した透過照明となっている。液滴像は図３の（ａ）に示すスリットパターン２０を下から上へ通過し、光電変換ユニット６から出力される。スリットパターン２０は、それぞれ液滴の飛行方向に対して傾斜した斜め開口縁（斜め開口部）を有する２本の三角形状のスリット開口２１、２２によって構成されており、第１、第２のスリット開口２１、２２を１個の液滴が通過するごとに、２個のパルス状の信号が得られる。ここで、第１のスリット開口２１を通過するときに検出されるパルスをパルス２１、第２のスリット開口２２を通過するときに検出されるパルスをパルス２２と呼ぶことにする。
【００３３】
第１、第２のスリット開口２１、２２はそれぞれの中心軸は互いに平行に配置してあるため、パルス２１とパルス２２との時間差が液滴２の飛行速度（液滴速度）を表す。すなわち、以下の式による関係が成立する。
（液滴速度）＝（スリット開口２１の中心線とスリット開口２２の中心線との間の距離）÷（光学倍率）÷（パルス２１とパルス２２との時間差）
【００３４】
また、スリット開口２１、２２は三角形が逆向きに配置してあることから、垂直に液滴像が通過するなら、開口部のどこを通過しても、以下の式による関係が成立する。
（スリット開口２１を通過したところの幅）＋（スリット開口２２を通過したところの幅）＝一定
【００３５】
そして、光電変換ユニット６は、入力される光量に比例した電圧を出力することから、液滴２が等速度運動しているとみなせるならば、パルス２１とパルス２２の波形の作る面積の和は、液滴２の大きさを表わす一定値となる。
【００３６】
すなわち、以下の式による関係が成立する。
∫（パルス２１の波形）ｄｔ＋∫（パルス２２の波形）ｄｔ＝一定値
【００３７】
図３の（ａ）において左寄りを液滴像が通過した場合、同図の（ｂ）に示すようにパルス２１はパルス２２よりも振幅の大きい波形として観測され、逆に液滴像が図３の（ａ）において右寄りを通過した場合は、同図の（ｃ）に示すようにパルス２２の方がパルス２１より大きい波形として観測される。
【００３８】
そして、第１、第２のスリット開口２１、２２の左右で幅の大小関係が逆であることから、パルス２１とパルス２２の波形の作る面積の差と、液滴像がスリット中心に対してどこを通過したかという通過位置が比例関係になる。すなわち、以下の式による関係が成立する。
（液滴の通過位置）＝｛∫（パルス２２の波形）ｄｔ−∫（パルス２１の波形）ｄｔ｝×（比例係数）
【００３９】
ただし、比例係数は以下の式で表される。
（比例係数）＝（スリット開口２１とスリット開口２２の横方向長さ）÷｛∫（パルス２２の波形）ｄｔ＋∫（パルス２１の波形）ｄｔ｝÷２
【００４０】
このようにして、液滴速度と通過位置を測定することができる。コントローラ７の中では、光電変換ユニット６から出力された信号を、ＡＤ変換機で多値デジタルデータに変換し、デジタルシグナルプロセッサで信号処理することで、上述の計算式に従って演算処理をして、液滴速度と通過位置を計算して表示器８に出力する。
【００４１】
また、第１、第２のスリット開口２１、２２のそれぞれ後方に別々の光電変換ユニットを配置し、パルス２１とパルス２２を別々の信号チャンネルに分離してコントローラ７に入力してもよい。この場合、連続した次の液滴が、第１のスリット開口２１と第２のスリット開口２２との間隔よりも接近して飛行してくる場合、パルス２１とパルス２２の分離が容易になるので、より高い吐出周波数まで測定できるメリットがある。
【００４２】
また、本実施例により得られる信号波形から、微小液滴球の大きさを求めることもできる。図４の（ａ）は、微小液滴球の大きさが変化したときの検出信号波形の変化の理論値を示す。ここでは検出に５μｍ幅のスリットを用いたときの例である。この信号の９０％を閾値として算出したパルス幅と、微小液滴球の大きさとの対応をプロットすると図４の（ｂ）となり、ほぼ直線上にのる。そこで大きさを求めるには、検出信号波形のパルス幅を測定し、そのパルス幅に対する微小液滴球の大きさを逆算すればよい。なおスリット幅によってもパルス幅と微小液滴球の大きさとの対応関係は変わるため、予め求めてある液滴の通過位置より対応するスリット部位の幅を算出して、そのスリット幅におけるパルス幅と微小液滴球の大きさとの対応関係を用いて大きさを計算すればよい。または、パルス幅と微小液滴球の大きさとスリット幅との３つの値の対応テーブルを予め作成しておき、これを参照することによっても微小球の大きさが求められる。
【００４３】
このように、連続して吐出される液滴の大きさ、速度および通過位置を連続的に測定することで、液体吐出ヘッドの吐出性能を正確に評価することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
液体吐出ヘッドの吐出性能の評価に限定されることなく、液滴以外の飛行する微小球の飛行速度や飛行方向等を高精度で計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】実施例１による微小球測定装置を説明する図である。
【図２】実施例１によるスリットパターンと検出信号を示す図である。
【図３】実施例２によるスリットパターンと検出信号を示す図である。
【図４】微小球の大きさの変化に対する検出信号の変化、および、微小球の大きさの実測値と理論値との対応を示す図である。
【図５】一従来例を説明する図である。
【符号の説明】
【００４６】
１    液体吐出ヘッド
２    液滴
３    光源
４    光学系
５    スリット
６    光電変換ユニット
７    コントローラ
８    表示器
【図１】
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【図２】
2006281714.tif 000004
【図３】
2006281714.tif 000005
【図４】
2006281714.tif 000006
【図５】
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