(57)【要約】【課題】  液滴に関する計測精度を高めること。【解決手段】  測定対象の液滴１６の径よりも厚さがある１本のレーザ光１２を発生させるレーザ光発生器１１と、レーザ光発生器１１から発生されたレーザ光１２をレーザ光検出信号として検出する光検出器１４と、レーザ光１２を横切るように計測対象の液滴１６を吐出し、インクジェット式の印刷装置に適用されるインクジェットヘッド１５とを備え、光検出器１４は、液滴１６がレーザ光１２を通過する際のレーザ光検出信号に基づいて、液滴１６に関する速度や体積の計測を行う。【選択図】      図１
2006023275.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象の液滴の径以上の厚さがある１本のレーザ光を発生させるレーザ光発生手段と、
前記レーザ光をレーザ光検出結果として検出するレーザ光検出手段と、
前記レーザ光を横切るように計測対象の液滴を吐出する液滴吐出手段と、
前記液滴が前記レーザ光を通過する際の前記レーザ光検出結果に基づいて、液滴に関する計測を行う計測手段と、
を備えたことを特徴とする液滴計測装置。
【請求項２】
前記計測手段は、前記液滴が前記レーザ光の上面に接触した際のレーザ光検出結果と、該液滴が前記レーザ光の下面に接触した際のレーザ光検出結果とに基づいて、前記液滴の速度を計測することを特徴とする請求項１に記載の液滴計測装置。
【請求項３】
前記計測手段は、前記液滴が前記レーザ光の上面に接触してから該液滴がレーザ光に完全に侵入するまでの前記レーザ光検出結果に基づいて、前記液滴の体積を計測することを特徴とする請求項１または２に記載の液滴計測装置。
【請求項４】
前記計測手段は、前記液滴が前記レーザ光の下面に接触してから該液滴がレーザ光から完全に脱出するまでの前記レーザ光検出結果に基づいて、前記液滴の体積を計測することを特徴とする請求項１または２に記載の液滴計測装置。
【請求項５】
測定対象の液滴の径以上の厚さがある１本のレーザ光を発生させるレーザ光発生工程と、
前記レーザ光をレーザ光検出結果として検出するレーザ光検出工程と、
前記レーザ光を横切るように計測対象の液滴を吐出する液滴吐出工程と、
前記液滴が前記レーザ光を通過する際の前記レーザ光検出結果に基づいて、液滴に関する計測を行う計測工程と、
を含むことを特徴とする液滴計測方法。
【請求項６】
光ビームを射出する光発生器と、
前記光ビームを受光するセンサと、
前記センサ上の前記光ビームの光強度を計測する計測部と、
を備えた計測装置であって、
所定方向への速度成分を有する被計測物が所定部分で前記光ビームを横切るように、前記光ビームの光路が配置されており、
前記所定部分での前記光ビームの前記所定方向に沿った幅は前記被計測物の前記所定方向に沿った幅以上であり、
前記計測部は、前記被計測物が前記光ビームの外縁部を横切り始めてから横切り終えるまでの期間内に現れる前記光強度の変化に基づいて、前記被計測物の物理量を導出する、
計測装置。
【請求項７】
光ビームを射出する光発生器と、前記光ビームを受光するセンサと、を備え、所定部分での前記光ビームの所定方向に沿った幅が被計測物の前記所定方向に沿った幅以上である計測装置を用いた計測方法であって、
前記所定方向への速度成分を有する前記被計測物が前記所定部分で前記光ビームを横切るように、前記被計測物を飛ばす工程（Ａ）と、
前記センサ上の前記光ビームの光強度を計測する工程（Ｂ）と、
前記被計測物が前記光ビームの外縁部を横切り始めてから横切り終えるまでの期間内に現れる前記光強度の変化に基づいて、前記被計測物の物理量を導出する工程（Ｃ）と、
を包含した計測方法。
【請求項８】
光ビームを射出する光発生器と、
前記光ビームを受光するセンサと、
前記センサ上の前記光ビームの光強度を計測する計測部と、
を備えた計測装置であって、
所定方向への速度成分を有する被計測物が所定部分で前記光ビームを横切るように、前記光ビームの光路が配置されており、
前記所定部分での前記光ビームの前記所定方向に沿った幅は前記被計測物の前記所定方向に沿った幅以上であり、
前記計測部は、前記光強度に基づいて、前記被計測物が前記光ビームに侵入し始める第１時刻と前記被計測物が前記光ビームを脱出し終える第２時刻とを検出するとともに、前記第１時刻と前記第２時刻との差と、前記速度成分の大きさと、前記光ビームの前記所定方向に沿った前記幅と、に基づいて前記被計測物の前記所定方向に沿った前記幅の値を導出する、
計測装置。
【請求項９】
光ビームを射出する光発生器と、
前記光ビームを受光するセンサと、
前記センサ上の前記光ビームの光強度を計測する計測部と、
を備えた計測装置であって、
所定方向への速度成分を有する被計測物が所定部分で前記光ビームを横切るように、前記光ビームの光路が配置されており、
前記所定部分での前記光ビームの前記所定方向に沿った幅は前記被計測物の前記所定方向に沿った幅以上であり、
前記計測部は、前記光強度に基づいて、前記被計測物が前記光ビームに侵入し終える第１時刻と前記被計測物が前記光ビームを脱出し始める第２時刻とを導出するとともに、前記第１時刻と前記第２時刻との差と、前記速度成分の大きさと、前記光ビームの前記所定方向に沿った前記幅と、に基づいて前記被計測物の前記所定方向に沿った前記幅の値を導出する、
計測装置。
【請求項１０】
光ビームを射出する光発生器と、前記光ビームを受光するセンサと、を備え、所定部分での前記光ビームの所定方向に沿った幅が被計測物の前記所定方向に沿った幅以上である計測装置を用いた計測方法であって、
前記所定方向への速度成分を有した前記被計測物が前記所定部分で前記光ビームを横切るように、前記被計測物を飛ばす工程（Ａ）と、
前記センサ上の前記光ビームの光強度を計測する工程（Ｂ）と、
前記光強度に基づいて、前記被計測物が前記光ビームに侵入し始める第１時刻と前記被計測物が前記光ビームを脱出し終える第２時刻とを導出する工程（Ｃ）と、
前記第１時刻と前記第２時刻との差と、前記速度成分の大きさと、前記光ビームの前記所定方向に沿った前記幅と、に基づいて前記被計測物の前記所定方向に沿った前記幅の値を導出する工程（Ｄ）と、
を包含した計測方法。
【請求項１１】
光ビームを射出する光発生器と、前記光ビームを受光するセンサと、を備え、所定部分での前記光ビームの所定方向に沿った幅が被計測物の前記所定方向に沿った幅以上である計測装置を用いた計測方法であって、
前記所定方向への速度成分を有した前記被計測物が前記所定部分で前記光ビームを横切るように、前記被計測物を飛ばす工程（Ａ）と、
前記センサ上の前記光ビームの光強度を計測する工程（Ｂ）と、
前記光強度に基づいて、前記被計測物が前記光ビームに侵入し終える第１時刻と前記被計測物が前記光ビームを脱出し始める第２時刻とを導出する工程（Ｃ）と、
前記第１時刻と前記第２時刻との差と、前記速度成分の大きさと、前記光ビームの前記所定方向に沿った前記幅と、に基づいて前記被計測物の前記所定方向に沿った前記幅の値を導出する工程（Ｄ）と、
を包含した計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、計測装置および計測方法に関し、特に、液滴に関する計測精度を高めるために好適な液滴計測装置および液滴計測方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、インクジェット式の印刷装置においては、紙等の印刷媒体とインクジェットヘッドとの相対位置を変化させつつ、インクジェットヘッドに設けられた各ノズルからインクの液滴を印刷媒体に向けて吐出させることにより、印刷が行われている。上記インクジェットヘッドには、製造過程での加工や組み立てによるバラツキにより、同一の駆動電圧波形を印加しても、吐出される液滴の速度や体積に個体差が生じる。また、単一のインクジェットヘッドであっても、ノズル毎に吐出量が異なる。
【０００３】
ここで、従来において、インクジェットヘッドから吐出される液滴の速度および体積を正確に測定することは、非常に重要である。すなわち、液滴の速度が不正確である場合には、印刷媒体における着弾位置にずれを生じる。一方、液滴の体積が不正確である場合には、印刷媒体に着弾した液滴が広がりすぎて滲みが生じたり、逆にかすれが生じる。
【０００４】
そこで、従来より、例えば、特許文献１に開示されているように、液滴計測方法においては、光源からのレーザ光をスリットを通すことにより生成された２本の平行なレーザ光に対して、インクジェットヘッドから垂直にインクの液滴を通過させ、２本のレーザ光間の距離と、２本のレーザ光における液滴の通過時間とから液滴の速度を求めている。また、従来の液滴計測方法においては、レーザ光を検出する光検出器の波形から、液滴の断面形状を得て、液滴の飛跡と垂直な方向の断面形状を円と仮定して、液滴の体積を求めている。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１２７４３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、従来の液滴計測方法においては、液滴の進行方向に対するレーザ光の厚さを、液滴の直径よりも細く絞りこむことにより、分解能を高め、液滴に関する計測精度を高めることが可能となる。しかしながら、従来の液滴計測方法においては、光源からのレーザ光をスリットを通すことにより、レーザ光の厚さを調整しているが、回折によりレーザ光の厚さを所望のサイズにまで小さくすることが難しいため、液滴に関する計測精度が低いという問題があった。
【０００７】
この理由について説明する。図９に示したように、直径ｄのピンホール１を波長λのレーザ光２（平行光）が通過すると、通過後のレーザ光２の断面は、回折の影響を受けて、同心円状の明部と暗部となり、この結果、いわゆるＡｉｒｙディスクが観察される。中心に最も近いＡｉｒｙディスクの直径をレーザ光２の直径とし、レーザ光２の縁部をピンホール１の縁部から見た角度θは、レーザ光２の波長をλ、ピンホール１の直径をｄとするとつぎの（１）式で表される。
【０００８】
【数１】
2006023275.tif 000003
【０００９】
ここで、種類がＨｅ−Ｎｅレーザ光、波長λが０．６３μｍのレーザ光２を用いた場合、ピンホール１の直径と、ピンホール１から１ｍｍ離れた位置でのレーザ光２の直径は、つぎの表１で表される。
【００１０】
【表１】
2006023275.tif 000004
【００１１】
従来のインクジェット式の印刷装置においては、液滴の直径が約１５〜３４μｍ（体積：約２〜２０ｐｌ）であるため、十分な計測精度を得るために、少なくとも液滴を５分割して計測したいと考えると、ピンホール１を通過したレーザ光２の直径が少なくとも３μｍ以下が望ましい。しかしながら、表１からわかるように、ピンホール１からわずか１ｍｍ離れただけで前述の条件を得ることは不可能である。この計算はピンホールに対するものであるが、ピンホールを横一列に並べたものがスリットであると考えれば、上記の考え方は、スリットにも当てはまる。液滴がレーザ光２を通過する位置とピンホール１の位置との間の距離は、空間的な制約上の理由から、または液滴の飛散による汚れを防ぐ目的で、少なくとも１ｃｍ、望ましくは３ｃｍ以上確保することが望ましい。つまり、３μｍ以下のレーザ光を用いて液滴の速度および体積を計測することが難しいのである。
【００１２】
また、レーザに電源を投入した時点から最低でも１５分程度経過しないと、レーザからのレーザ光の光強度が安定しない。さらに、レーザに電源を投入した時点から数時間程度の期間に亘って、レーザからのレーザ光の射出角度は、わずかながらも変化し続ける。このため、たとえ、いずれも同じ大きさかつ同じ形状の複数の液滴を計測した場合でも、レーザ光を検出した検出器が出力する波形は同じにならない可能性がある。したがって従来の計測方法では、液滴の体積はレーザ光の光強度の大きさを表す値に基づくので、レーザの熱ドリフトの影響を除去できない場合には、体積の計測精度が低下することがある。
【００１３】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的の一つは、液滴に関する計測精度を高める液滴計測装置および液滴計測方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、測定対象の液滴の径よりも厚さがある１本のレーザ光を発生させるレーザ光発生手段と、前記レーザ光をレーザ光検出結果として検出するレーザ光検出手段と、前記レーザ光を横切るように計測対象の液滴を吐出する液滴吐出手段と、前記液滴が前記レーザ光を通過する際の前記レーザ光検出結果に基づいて、液滴に関する計測を行う計測手段と、を備えている。
【００１５】
本発明のある態様によれば、前記計測手段は、前記液滴が前記レーザ光の上面に接触した際のレーザ光検出結果と、該液滴が前記レーザ光の下面に接触した際のレーザ光検出結果とに基づいて、前記液滴の速度を計測する。
【００１６】
本発明の他の態様によれば、前記計測手段は、前記液滴が前記レーザ光の上面に接触してから該液滴がレーザ光に完全に侵入するまでの前記レーザ光検出結果に基づいて、前記液滴の体積を計測する。
【００１７】
本発明のさらに他の態様によれば、前記計測手段は、前記液滴が前記レーザ光の下面に接触してから該液滴がレーザ光から完全に脱出するまでの前記レーザ光検出結果に基づいて、前記液滴の体積を計測する。
【００１８】
また、本発明は、測定対象の液滴の径よりも厚さがある１本のレーザ光を発生させるレーザ光発生工程と、前記レーザ光をレーザ光検出結果として検出するレーザ光検出工程と、前記レーザ光を横切るように計測対象の液滴を吐出する液滴吐出工程と、前記液滴が前記レーザ光を通過する際の前記レーザ光検出結果に基づいて、液滴に関する計測を行う計測工程と、を含む。
【００１９】
以上のような本発明によれば、測定対象の液滴の径よりも厚さがある１本のレーザ光をレーザ光検出結果として検出し、レーザ光を横切るように吐出された液滴がレーザ光を通過する際のレーザ光検出結果に基づいて、液滴に関する計測を行うこととしたので、従来のようにレーザ光の径を小さくする必要がなく、液滴に関する計測精度を高めることができるという効果を奏する。
【００２０】
本発明の計測装置は、光ビームを射出する光発生器と、前記光ビームを受光するセンサと、前記センサ上の前記光ビームの光強度を計測する計測部と、を備えている。ここで、所定方向への速度成分を有する被計測物が所定部分で前記光ビームを横切るように、前記光ビームの光路が配置されている。そして、前記所定部分での前記光ビームの前記所定方向に沿った幅は前記被計測物の前記所定方向に沿った幅以上である。さらに、前記計測部は、前記被計測物が前記光ビームの外縁部を横切り始めてから横切り終えるまでの期間内に現れる前記光強度の変化に基づいて、前記被計測物の物理量を導出する。
【００２１】
本発明の計測方法によれば、光ビームを射出する光発生器と、前記光ビームを受光するセンサと、を備え、所定部分での前記光ビームの所定方向に沿った幅が被計測物の前記所定方向に沿った幅以上である計測装置を用いる。そして、上記計測方法は、前記所定方向への速度成分を有する前記被計測物が前記所定部分で前記光ビームを横切るように、前記被計測物を飛ばす工程（Ａ）と、前記センサ上の前記光ビームの光強度を計測する工程（Ｂ）と、前記被計測物が前記光ビームの外縁部を横切り始めてから横切り終えるまでの期間内に現れる前記光強度の変化に基づいて、前記被計測物の物理量を導出する工程（Ｃ）と、を包含している。
【００２２】
上記特徴によれば、被計測物の物理量（例えば体積）の導出が、被計測物が光ビームの外縁部を横切る際に現れる光強度の変化に基づいている。このため、光ビームの幅が被計測物の幅以上であっても、被計測物の物理量、例えば体積、を導出することができる。つまり、光ビームの幅を被計測物の幅よりも絞る必要がないため、光ビームを生成する光源または光路における光学部品の設計に自由度が生じ、そしてこのため計測が容易になる。
【００２３】
本発明の計測装置は、光ビームを射出する光発生器と、前記光ビームを受光するセンサと、前記センサ上の前記光ビームの光強度を計測する計測部と、を備えている。ここで、所定方向への速度成分を有する被計測物が所定部分で前記光ビームを横切るように、前記光ビームの光路が配置されている。そして、前記所定部分での前記光ビームの前記所定方向に沿った幅は前記被計測物の前記所定方向に沿った幅以上である。さらに、前記計測部は、前記光強度に基づいて、前記被計測物が前記光ビームに侵入し始める第１時刻と前記被計測物が前記光ビームを脱出し終える第２時刻とを検出するとともに、前記第１時刻と前記第２時刻との差と、前記速度成分の大きさと、前記光ビームの前記所定方向に沿った前記幅と、に基づいて前記被計測物の前記所定方向に沿った前記幅の値を導出する。
【００２４】
本発明の計測装置は、光ビームを射出する光発生器と、前記光ビームを受光するセンサと、前記センサ上の前記光ビームの光強度を計測する計測部と、を備えている。ここで、所定方向への速度成分を有する被計測物が所定部分で前記光ビームを横切るように、前記光ビームの光路が配置されている。そして、前記所定部分での前記光ビームの前記所定方向に沿った幅は前記被計測物の前記所定方向に沿った幅以上である。さらに、前記計測部は、前記光強度に基づいて、前記被計測物が前記光ビームに侵入し終える第１時刻と前記被計測物が前記光ビームを脱出し始める第２時刻とを導出するとともに、前記第１時刻と前記第２時刻との差と、前記速度成分の大きさと、前記光ビームの前記所定方向に沿った前記幅と、に基づいて前記被計測物の前記所定方向に沿った前記幅の値を導出する。
【００２５】
本発明の計測方法によれば、光ビームを射出する光発生器と、前記光ビームを受光するセンサと、を備え、所定部分での前記光ビームの所定方向に沿った幅が被計測物の前記所定方向に沿った幅以上である計測装置を用いる。そして、上記計測方法は、前記所定方向への速度成分を有した前記被計測物が前記所定部分で前記光ビームを横切るように、前記被計測物を飛ばす工程（Ａ）と、前記センサ上の前記光ビームの光強度を計測する工程（Ｂ）と、前記光強度に基づいて、前記被計測物が前記光ビームに侵入し始める第１時刻と前記被計測物が前記光ビームを脱出し終える第２時刻とを導出する工程（Ｃ）と、前記第１時刻と前記第２時刻との差と、前記速度成分の大きさと、前記光ビームの前記所定方向に沿った前記幅と、に基づいて前記被計測物の前記所定方向に沿った前記幅の値を導出する工程（Ｄ）と、を包含している。
【００２６】
本発明の計測方法によれば、光ビームを射出する光発生器と、前記光ビームを受光するセンサと、を備え、所定部分での前記光ビームの所定方向に沿った幅が被計測物の前記所定方向に沿った幅以上である計測装置を用いる。そして、上記計測方法は、前記所定方向への速度成分を有した前記被計測物が前記所定部分で前記光ビームを横切るように、前記被計測物を飛ばす工程（Ａ）と、前記センサ上の前記光ビームの光強度を計測する工程（Ｂ）と、前記光強度に基づいて、前記被計測物が前記光ビームに侵入し終える第１時刻と前記被計測物が前記光ビームを脱出し始める第２時刻とを導出する工程（Ｃ）と、前記第１時刻と前記第２時刻との差と、前記速度成分の大きさと、前記光ビームの前記所定方向に沿った前記幅と、に基づいて前記被計測物の前記所定方向に沿った前記幅の値を導出する工程（Ｄ）と、を包含している。
【００２７】
上記特徴によれば、被計測物の幅は光強度の大きさを表す値に基づかないので、光発生器の熱ドリフトにより光ビームの光強度が徐々に変化しても、正確に被計測物の幅を導出できる。ここで、被計測物の形状が球であれば体積も導出できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下に、本発明にかかる液滴計測装置および液滴計測方法の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。
【実施例１】
【００２９】
（Ａ．液滴計測装置の全体構成）
図１は、本発明にかかる一実施例の構成を示す概略側面図である。同図には、インクジェットヘッド１５から吐出された液滴１６の速度および体積を計測するための液滴計測装置１０が図示されている。図２は、図１に示した計測位置Ｐ１近傍の構成を示す拡大斜視図である。図３は、図１に示した計測位置Ｐ１近傍の構成を示す拡大平面図および拡大側面図である。
【００３０】
図１の液滴計測装置１０は、例えば、波長０．６３μｍのレーザ光１２を発生させるレーザ光発生器１１（例えば、Ｈｅ−Ｎｅレーザ光発生器）と、レーザ光１２の光路途中に配設されたシリンドリカルレンズ１３と、レーザ光発生器１１に対向する位置に配設されているとともにレーザ光１２を検出する光検出器１４と、シリンドリカルレンズ１３と光検出器１４との間に位置する計測位置Ｐ１の上方に配設されているとともに液滴１６を吐出するインクジェットヘッド１５と、を備えている。インクジェットヘッド１５は、インクジェット式の印刷装置に適用される。計測位置Ｐ１は、シリンドリカルレンズ１３における焦線Ｌ１に対応している。なお、液滴計測装置１０のうち、インクジェットヘッド１５を除いた部分を「計測装置１０Ａ」と表記する。
【００３１】
シリンドリカルレンズ１３の母線の方向はＹ軸方向に一致している。ところで、シリンドリカルレンズ１３の焦線Ｌ１は、光の回折の影響のために回折限界以下には小さくならず、このため、ある有限の厚さを持つことになる。本実施例では、焦線Ｌ１のＺ軸方向に沿った厚さ（後述の幅Ｌｚ）が、液滴１６のＺ軸方向の幅Ｄｚ以上になるように、シリンドリカルレンズ１３が選択されている。
【００３２】
なお、シリンドリカルレンズ１３に代えて、例えば平凸レンズが用いられてもよい。ただし、シリンドリカルレンズ１３によりレーザ光１２を焦線Ｌ１上に集光する構成にすれば、平凸レンズの場合とは異なり、計測位置Ｐ１が奥行き方向（後述のＹ軸方向）に対して広がりをもつことになるので、インクジェットヘッド１５の位置合せが容易になる。なお、後述する信号値Ｅ（ｉ）を得る際に十分高いＳＮ比が実現するのであれば、シリンドリカルレンズ１３を省略してもよいし、シリンドリカルレンズ１３の代わりにスリットが設けられていてもよい。
【００３３】
本実施例では、計測位置Ｐ１におけるレーザ光１２の主光線は、互いに垂直なＸ軸方向およびＹ軸方向で決まる平面上を伝播する。また、レーザ光１２の伝播方向はＸ軸方向に平行である。さらに、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の双方と垂直なＺ軸方向への速度成分を有する液滴１６が、計測位置Ｐ１でレーザ光１２を横切るように、レーザ光１２の光路が配置されている。
【００３４】
ここで、図４（ａ）に示したように、計測位置Ｐ１におけるレーザ光１２の厚さＤ（幅Ｌｚ）は、液滴１６の落下方向に対する幅Ｄｚに比して大きいものとされている。また、レーザ光１２の強度分布は、レーザ光１２が伝播する方向に垂直な断面上で一様であるとする。
【００３５】
このように、計測位置Ｐ１では、レーザ光１２のＺ軸方向に沿った幅Ｌｚは、液滴１６のＺ軸方向に沿った幅Ｄｚ以上である。加えて本実施例では、計測位置Ｐ１でのレーザ光１２のＹ軸方向の幅Ｌｙは、液滴１６のＹ軸方向に沿った幅以上である。これらのことから、液滴１６がレーザ光１２を通過する場合には、液滴１６は、レーザ光１２に完全に覆われることになる。
【００３６】
図１に戻って、光検出器１４は、フォトダイオードと電流・電圧変換回路とを有するセンサ２１と、計測部２２と、を含んでいる。センサ２１には、レーザ光１２の断面が全て入射するように配置されている。そして、このセンサ２１は、入射したレーザ光１２の光強度に応じて検出信号Ｅを出力する。そして、センサ２１は、レーザ光１２の断面が完全に入射している場合に、検出信号Ｅの電圧を基準レベル（例えば０）にし、レーザ光１２の光強度が減少した場合に、光強度の減少に比例して検出信号Ｅの電圧を上昇するように構成されている。一方、計測部２２は、センサ２１が出力した検出信号Ｅに応じて、センサ２１上のレーザ光１２の光強度を計測する。また、計測部２２は、計測した光強度に基づいて、液滴１６の体積または速度など、液滴１６の物理量を算出する。
【００３７】
さて、液滴１６がレーザ光１２を通過していない場合には、シリンドリカルレンズ１３を射出したレーザ光１２の断面の全域がセンサ２１に入射する。この場合、検出信号Ｅの電位（強度）は基準レベルとなる。一方、液滴１６がレーザ光１２を横切る場合には、レーザ光１２の一部が、液滴１６によって反射、吸収または屈折させられる。そして、このようなレーザ光１２の一部はセンサ２１に入射することができないので、センサ２１でのレーザ光１２の光強度が減少し、この結果、検出信号Ｅの電位（強度）が上昇する。したがって、液滴１６がレーザ光１２を通過すると、検出信号Ｅの時間変化を表すプロファイルには、上に凸の波形が現れる。本実施例では、液滴１６の通過に伴うこのような波形を「液滴通過波形ＰＷ」（図４（ｂ））と表記する。
【００３８】
（Ｂ．液滴の速度の計測方法）
つぎに、図４（ａ）および（ｂ）を参照しつつ、本実施例における液滴１６の速度の計測方法を説明する。図１において、インクジェットヘッド１５より液滴１６が吐出されると、液滴１６は、図２および図３に示したように、軌跡Ｋ１を描きつつ落下する。そして、図４（ｂ）に示したように、時刻ｔ１で計測位置Ｐ１（焦線Ｌ１）近傍で液滴１６の下端がレーザ光１２の上面（または上部外縁部）に接触すると、光検出器１４におけるセンサ２１の検出信号Ｅの強度に変化が生じる。具体的にはこの場合、検出信号Ｅが基準レベルから立ち上がる。そして、液滴１６がレーザ光１２に完全に入ると、光検出器１４におけるセンサ２１の検出信号Ｅの強度が実質的に一定となる。液滴１６がレーザ光１２に完全に覆われるからである。さらに、時刻ｔ２で液滴１６の下端がレーザ光１２の下面（または下部外縁部）に接触すると、光検出器１４におけるセンサ２１の検出信号Ｅの強度に変化が生じる。具体的にはこの場合、検出信号Ｅが低下し始める。
【００３９】
これにより、光検出器１４では、レーザ光１２の厚さＤ（幅Ｌｚ）を、検出信号Ｅに変化が生じた時刻ｔ１と時刻ｔ２との間の時間τで除算することにより、液滴１６の速度Ｖｍ（＝Ｄ／τ）を求める。
【００４０】
（Ｃ．液滴の体積の計測方法）
つぎに、図４および図５を参照しつつ、一実施例における液滴１６の体積の計測方法を説明する。まず、Ｚ軸方向への速度成分を有する液滴１６が計測位置Ｐ１でレーザ光１２を横切るように、液滴１６を飛ばす。具体的には、インクジェットヘッド１５からＺ軸方向に液滴１６を吐出する。
【００４１】
次に図５における（１）のように、光検出器１４は、液滴１６がレーザ光１２に接触した際の投影面積Ｓ2をレーザ光１２の検出信号Ｅから求める。（２）では、光検出器１４は、１つ前のサンプル時に得られた投影面積Ｓ1と、（１）で得られた投影面積Ｓ2との差分Ｓ’2を求める。ここで、差分Ｓ’2を求めるので、たとえレーザ光発生器１１の熱ドリフトによってレーザ光１２の光強度に変動が生じていても、変動による誤差がキャンセルされる。熱ドリフトによる光強度の変動の周期は、投影面積Ｓiを求める周期（サンプリング周期）より十分長いからである。
【００４２】
図５の（３）では、光検出器１４は、（２）で得られた差分Ｓ’2を、高さがＶｍ／ｆであり、横幅がｙである長方形と仮定し、その面積から横幅ｙを求める。なお、Ｖｍは液滴１６の速度であり、ｆは、後述するサンプリング部２４のサンプリング周波数である。
【００４３】
つぎに、（４）では、光検出器１４は、上記長方形が、底面の直径ｙ、高さＶｍ／ｆの円柱の投影であると仮定し、この円柱の体積を求める。以後、光検出器１４は、液滴１６の下端がレーザ光１２の上面（または上部外縁部）に接触する時刻ｔ１から、完全にレーザ光１２に侵入する時刻ｔ３まで（サンプリング期間）、上記（１）〜（４）までの計算を行い各円柱の体積を求める。そして、光検出器１４は、これらの円柱の体積を積算することにより、液滴１６の体積値Ｉｖを求める。
【００４４】
本実施例ではこのようにして、サンプリング期間における複数のサンプリング時刻毎に、レーザ光１２と液滴１６とが互いに重なる部分の体積の増加量を導出する。そして、得られた増加量のそれぞれを互いに加算することで、体積値Ｉｖを導出する。なお、ここで説明した上記サンプリング期間は、液滴１６がレーザ光１２の上部外縁部を横切り始めてから横切り終えるまでの期間である。つまり、上記サンプリング期間は、時刻ｔ１以上時刻ｔ３以下の期間である。
【００４５】
サンプリング期間は、液滴１６がレーザ光１２の下部外縁部を横切り始めてから横切り終えるまでの期間であってもよい。つまり、上記サンプリング期間は、時刻ｔ２以上時刻ｔ４以下の期間であってもよい。サンプリング期間がこのように定義される場合には、サンプリング期間における複数のサンプリング時刻毎に、レーザ光１２と液滴１６とが互いに重なる部分の体積の減少量を導出すればよい。そして、得られた減少量の絶対値のそれぞれを互いに加算すれば、体積値Ｉｖを導出できる。
【００４６】
このように上記計測方法によれば、液滴１６がレーザ光１２の上部外縁部または下部外縁部を横切る際に現れる光強度の変化が計測される。このため、レーザ光１２の幅Ｌｚが液滴１６の幅Ｄｚ以上であっても、液滴１６の体積を導出できる。
【００４７】
さて、時刻ｔ１以上時刻ｔ３以下の期間（または時刻ｔ２以上時刻ｔ４以下の期間）に得られた複数の直径ｙのセットは、１つの液滴１６のＹＺ断面での形状を表している。このため、これら複数の直径ｙのセットに基いて、液滴１６の形状を判定できる。また、インクジェットヘッド１５が駆動されたにもかかわらず体積値Ｉｖが０（ゼロ）の場合は、液滴１６が吐出されなかったことに対応する。つまり、体積値Ｉｖがゼロか、ゼロ以外の値か、を判定することで、液滴１６の有無（吐出の成否）を検出できる。
【００４８】
（Ｄ．計測部）
以下では、図６を参照しながら、液滴１６の速度または体積を導出する計測部２２の構造と機能とをより詳細に説明する。
【００４９】
図６に示す計測部２２は、検出信号Ｅをサンプリングするサンプリング部２４と、メモリ２５と、ＣＰＵ３３と、ＲＯＭ３４と、ＲＡＭ３５と、外部インターフェース部３６と、これらを相互に通信可能に接続しているバス３７と、を有している。なお、本実施例では、ＣＰＵ３３とＲＯＭ３４とＲＡＭ３５とは、「体積演算部２６」として機能する。
【００５０】
サンプリング部２４はアナログ信号をデジタル信号に変換する回路である。本実施例では、サンプリング部２４は、検出信号Ｅを周期Δｔでサンプリングして、検出信号Ｅの電圧値に対応した信号値Ｅ（ｉ）を生成する。ここで、「ｉ」は１からｎまでの整数であり、サンプリングされた順番に対応している。メモリ２５は、サンプリング部２４が生成した信号値Ｅ（ｉ）のそれぞれを格納する。そして、メモリ２５に格納された信号値Ｅ（ｉ）のそれぞれは、ＣＰＵ３３からのコマンドに応じて、所定の周期で順次出力される。体積演算部２６は、メモリ２５が出力する複数の信号値Ｅ（ｉ）を受け取って、上記（１）から（４）にしたがって、液滴１６の速度または体積を導出する。
【００５１】
次に図７を参照しながら、体積演算部２６の機能をより詳細に説明する。なお、体積演算部２６の機能は、図６におけるＲＡＭ３５またはＲＡＭ３４に格納されたコンピュータプログラムを、ＣＰＵ３３が実行することで実現する。
【００５２】
図７に示すようにステップＳ１において処理が開始されると、ＣＰＵ３３は変数「ｉ」と変数「Ｉｖ」とを初期化する。ここで、変数「ｉ」と変数「Ｉｖ」とは、どちらもＲＡＭ３５における所定の記憶領域におけるそれぞれの内容である。変数「ｉ」は、１以上ｎ以下の範囲の整数であり、１回の吐出に対応する複数の信号値Ｅ（ｉ）のうちの一つを指定する指定子である。したがって上記「ｎ」は、信号値Ｅ（ｉ）の数に等しい。一方、変数「Ｉｖ」には、液滴１６の体積値が格納されることになる。なお、本実施例では、ステップＳ１において変数「ｉ」に２がセットされる。一方、変数「Ｉｖ」には０（ゼロ）がセットされる。
【００５３】
次に、ステップＳ２において、メモリ２５から信号値Ｅ（ｉ）と信号値Ｅ（ｉ−１）とを取り出し、これら信号値Ｅ（ｉ）と信号値Ｅ（ｉ−１）とに基づいて、ＣＰＵ３３は、断面積ＳiとＳ(i-1)とを導出する。ここで、信号値Ｅ（ｉ）と断面積Ｓ（ｉ）との間の相関関係は、事前のキャリブレーションによって既知である。本実施例では、信号値Ｅ（ｉ）と断面積Ｓiとは、線形な式によって互いに対応付けられている。
【００５４】
次に、ステップＳ３においてＣＰＵ３３は、断面積Ｓiと断面積Ｓ(i-1)との差Ｓ’iを求める。そして、ステップＳ４においてＣＰＵ３３は、差Ｓ’iに基づいて、上記（４）で説明したように、液滴１６の部分体積値Ｉｖ（ｉ）を導出する。
【００５５】
そして、ステップＳ５においてＣＰＵ３３は、部分体積値Ｉｖ（ｉ）と変数「Ｉｖ」とを加算して、結果の値を変数「Ｉｖ」に再度格納する。そのうえでＣＰＵ３３は、ステップＳ６において、変数「ｉ」と「ｎ」とが互いに等しいか否かを判断する。「ｉ」と「ｎ」とが互いに等しい場合（ステップＳ６がＹｅｓ）には、その時点での変数「Ｉｖ」が、液滴１６の体積値Ｉｖを表している。したがって、この場合には、ステップＳ８においてＣＰＵ３３は、変数「Ｉｖ」を体積値Ｉｖとして取り出す。一方、「ｉ」と「ｎ」とが等しくない場合（ステップＳ６がＮｏ）には、ステップＳ７において変数「ｉ」に１を加算したうえで、ステップＳ２からステップＳ６までを繰り返す。
【００５６】
上述のような計測方法または計測装置によれば、測定対象の液滴１６の径よりも厚さがある１本のレーザ光１２をレーザ光検出信号Ｅとして検出し、レーザ光１２を横切るように吐出された液滴１６がレーザ光１２を通過する際のレーザ光検出信号Ｅに基づいて、液滴１６の速度または体積の計測を行うこととしたので、従来のようにレーザ光１２の径を小さくする必要がなく、液滴１６に関する計測精度を高めることができる。
【００５７】
また従来は、液滴１６の速度を計測するのに２本のレーザ光を必要としたが、上記実施例によれば、レーザ光は一本でよいので、装置構成の簡略化を実現することが出来る。
【実施例２】
【００５８】
図８（ａ）から（ｃ）を参照しながら、液滴１６の体積の計測方法の他の実施例を説明する。本実施例の液滴１６の体積の計測方法は、液滴１６の形状が球に近い場合に有効である。なお、本実施例において用いられる液滴計測装置１０は、実施例１の液滴計測装置１０と基本的に同じであるため、その構成および機能の詳細な説明は省略する。また、本実施例の「光ビームＢ」は、実施例１に示すレーザ光１２を含む用語である。ただし、光ビームＢは、レーザ光１２の代わりに、位相が揃っていない光束であってもよい。
【００５９】
図８（ａ）に示すように、本実施例も実施例１と同様に、計測位置Ｐ１での光ビームＢの伝播方向は、Ｘ軸方向に平行である。また、光ビームＢのＺ軸方向に沿った幅（ビーム幅Ｌｚ）は、液滴１６のＺ軸方向に沿った幅（幅Ｄｚ）以上である。なお、本実施例では、ビーム幅Ｌｚの値Ｗと、液滴１６の速度Ｖｍとは、既知である。
【００６０】
まず、計測部２２は、液滴１６が光ビームＢに侵入し始める時刻ｔ１（図８（ｂ））を検出する。時刻ｔ１は、液滴１６の下端が光ビームＢの上部外縁部に接触する時刻である。本実施例では、計測部２２は、検出信号Ｅにおける液滴通過波形ＰＷが基準レベルから立ち上がる時刻を、時刻ｔ１として検出する。具体的には、計測部２２は、液滴通過波形ＰＷの値が閾値ｔｈ以上になる時刻を時刻ｔ１として検出する。
【００６１】
液滴１６が光ビームＢに侵入し終えると、液滴１６は光ビームＢに完全に覆われることになる。これは、ビーム幅Ｌｚが幅Ｄｚ以上だからである。液滴１６が光ビームＢに完全に覆われた後、液滴１６が光ビームＢを脱出し始めて、光ビームＢの下部外縁部から出て行く。さらにその後、液滴１６は光ビームＢを脱出し終える。
【００６２】
そこで、計測部２２は、液滴１６が光ビームＢを脱出し終える時刻ｔ４を検出する。時刻ｔ４は、液滴１６の上端が光ビームＢの下部外縁部に接触する時刻である。本実施例では、計測部２２は、液滴通過波形ＰＷが実質的に基準レベルに戻る時刻を、時刻ｔ４として検出する。具体的には、計測部２２は、液滴通過波形ＰＷの値が閾値ｔｈ以下になる時刻を時刻ｔ４として検出する。
【００６３】
なお、時刻ｔ１，ｔ４を検出する場合に、図８（ｃ）に示す液滴通過波形ＰＷの微分値ＰＷＤを用いてもよい。具体的には、微分値ＰＷＤが閾値ｔｄ１未満から閾値ｔｄ１以上になる時刻を、時刻ｔ１として検出してもよい。同様に、微分値ＰＷＤが閾値ｔｄ２未満から閾値ｔｄ２以上になる時刻を、時刻ｔ４として検出してもよい。そうすれば、時刻ｔ１，ｔ４をより正確に検出できる。
【００６４】
時刻ｔ１と時刻ｔ４とを検出した後に、下記式（２）にしたがって液滴１６の直径値φを求める。
φ＝Ｖｍ（ｔ４−ｔ１）−Ｗ    …（２）
つまり、時刻ｔ４と時刻ｔ１との差と、液滴１６の速度Ｖｍと、ビーム幅Ｌｚの値Ｗと、に基づいて、液滴１６の直径値φを導出する。なお、液滴１６の速度Ｖｍは、液滴１６のＺ軸方向の速度成分の大きさと同じである。
【００６５】
なお、時刻ｔ１，ｔ４を検出する代わりに、図８（ｂ）に示すような、液滴１６が光ビームＢに侵入し終える時刻ｔ３と、液滴１６が光ビームＢを脱出し始める時刻ｔ２と、を検出してもよい。ただし、時刻ｔ３，ｔ２を検出する場合には、液滴１６の直径値φを下記式（３）から求める。
φ＝Ｗ−Ｖｍ（ｔ２−ｔ３）    …（３）
つまり、時刻ｔ２と時刻ｔ３との差と、液滴１６の速度Ｖｍと、ビーム幅Ｌｚの値Ｗと、に基づいて、液滴１６の直径値φを導出する。上述のように液滴１６の速度Ｖｍは、液滴１６のＺ軸方向の速度成分の大きさと同じである。
【００６６】
そして、液滴１６の直径値φが導出されれば、球の体積の公式にしたがって、液滴１６の体積Ｉｖを下記式（４）から求める。
Ｉｖ＝πφ3／６    …（４）
【００６７】
上記のような計測方法によれば、液滴１６の体積Ｉｖ（または直径φ）を導出する際に光強度の値を用いないので、レーザ光発生器１１の熱ドリフトによって光ビームＢの光強度が徐々に変化しても、正確に液滴１６の体積Ｉｖ（または直径φ）を導出できる。
【００６８】
（変形例）
以上のように、本発明にかかる液滴計測装置および液滴計測方法は、インクジェットヘッドから吐出される液滴の速度または体積などの物理量計測に対して好適である。ただし、液滴計測装置１０における計測装置１０Ａによって物理量が計測される被計測物は、液滴１６に限定されない。具体的には、飛翔経路または軌跡に平行な軸に関して、回転対称の形状を有している被計測物であれば、計測装置１０Ａは、その体積を計測できる。さらに、たとえ被計測物が回転対称の形状を有していなくとも、センサ２１が受ける光強度の時間推移（時間変化）に応じて、被計測物の有無を判定すること、または光ビームＢに垂直な断面での被計測物の断面幅（または形状）を検出すること、ができる。
【００６９】
液滴１６以外の被計測物の例は、ボールベアリング、および液晶表示装置において用いられるギャップ剤、などである。ボールベアリングには高精度な真円性が求められる。また、ギャップ剤にも高いレベルで寸法上の精度が求められる。したがって、本発明による計測方法で、ボールベアリングおよびギャップ剤の形状または体積を計測することは有利である。ここで、ボールベアリングもギャップ剤も、液滴１６とは異なり固形の物体である。このような場合には、ボールベアリングまたはギャップ剤が光ビームＢの計測位置Ｐ１を通過するように、例えば漏斗からボールベアリングまたはギャップ剤を落下させればよい。そうすれば、計測装置１０Ａはボールベアリングまたはギャップ剤の体積および形状を計測できる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明にかかる一実施例の構成を示す概略側面図である。
【図２】図１に示した計測位置Ｐ１近傍の構成を示す拡大斜視図である。
【図３】（ａ）は、計測位置Ｐ１近傍の構成を示す拡大平面図であり、（ｂ）は、拡大側面図である。
【図４】（ａ）および（ｂ）は、同一実施例における液滴１６の速度の計測方法を説明する図である。
【図５】同一実施例における液滴１６の体積の計測方法を説明する図である。
【図６】本実施例の計測部を示す機能ブロック図である。
【図７】本実施例の計測部の動作を説明するフローチャートである。
【図８】（ａ）は、液滴が光ビームに侵入し始める様子と、液滴が光ビームを脱出し終える様子と、を示す模式図であり、（ｂ）は液滴通過波形を示すグラフであり、（ｃ）は液滴通過波形の微分値のグラフである。
【図９】従来の液滴計測方法の問題点を説明する図である。
【符号の説明】
【００７１】
１０…液滴計測装置、１１…レーザ光発生器、１２…レーザ光、１３…シリンドリカルレンズ、１４…光検出器、１５…インクジェットヘッド、２１…センサ、２２…計測部。
【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】
2006023275.tif 000011
【図８】
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【図９】
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