(57)【要約】【課題】  位置決め操作が必要な光学的測定装置において、位置決めする対象の周囲がいかなる形状であっても測定位置を正確に決めることができ、画像を取得する装置等を必要とせず空間的な制約のある場所においても適用可能な光学的測定装置および位置決め方法を提供する。【解決手段】  ニードル様の形状の作用部と、精密移動手段を備えた作用部を備える。精密移動手段により、適当な基準点から目標位置まで作用部を移動し、位置決め対象を作用部の先端に接触させて位置決めを行う。作用部の形状をニードル様のものとすれば、測定対象付近の形状によらず位置決めが可能である。  測定に使用する光学系を位置決めに利用する。作用部の先端がレーザの触れると光検出器の出力が変化し、作用部の先端がレーザに触れたことが検出できるため、画像を取得する装置等の付加なしに位置決め手段を構成することができる。【選択図】  図１
2006112987.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定物発生手段から発生される被測定物を測定するための光学的測定装置であって、
複数本のレーザ光を発生する手段と、
前記複数本のレーザ光を交差させる光学系と、
前記複数本のレーザ光の強度を検出する検出器と、
前記検出器の出力を演算処理する信号処理手段、
前記被測定物発生手段の位置を決める位置決め手段、
を有することを特徴とする光学的測定装置。
【請求項２】
前記位置決め手段は、移動手段と、
前記被測定物発生手段に接触させる作用部と、
を備えることを特徴とする請求項１に記載の光学的測定装置。
【請求項３】
前記作用部は、円筒部分の一端に円錐部分を備え、前記円錐部分の先端に略球状部分を  備えることを特徴とする請求項２に記載の光学的測定装置。
【請求項４】
前記作用部は、前記レーザ光に対し不透過性の材質であることを特徴とする請求項２ないし３に記載の光学的測定装置。
【請求項５】
前記作用部は、前記レーザ光に対し非反射性の材質であることを特徴とする請求項２ないし４に記載の光学的測定装置。
【請求項６】
前記被測定物発生手段は、インクジェットヘッドであって、
前記被測定物は、前記インクジェットヘッドから吐出された液滴であることを特徴とする請求項１に記載の光学的測定装置。
【請求項７】
被測定物を測定するための光学的測定装置に対し作用部を用いて前記被測定物を発生させる被測定物発生手段の位置を決める位置決め方法であって、
複数本のレーザ光を発生するステップと、
前記複数本のレーザ光を交差させるステップと、
前記作用部を前記複数本のレーザ光のいずれかに合わせるステップと、
前記作用部を前記複数のレーザ光が交差する場所に合わせるステップと、
前記作用部を位置決め目標位置に移動するステップと、
前記被測定物発生手段を前記作用部に接触させるステップ、
からなることを特徴とする位置決め方法。
【請求項８】
レーザ光の強度を検出するステップと、
検出された前記レーザ光の強度を用いて前記作用部の移動方向を判断するステップ、
を有することを特徴とする請求項７に記載の位置決め方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学的測定装置、特にインクジェットヘッドから吐出する液滴を光学的に計測することを目的とした光学的測定装置、および、その光学的測定装置に対するインクジェットヘッドの位置決め方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
インクジェットプリンタの製品開発や製造・検査を行う際に、インクジェットヘッドから吐出する液滴のサイズ・速度等の物理データを測定する装置が求められる。既存の測定装置には、レーザ光を利用した光学的測定装置が知られている。
【０００３】
インクジェットヘッドから吐出した液滴は、溶媒の蒸発や空気抵抗の影響を受け、前述の諸物理データは液滴が吐出するノズルから測定位置までの距離により変化する。したがって、この計測を行う光学的測定装置には、前述の距離を正確に決定するための位置決め手段を備える必要がある。
【０００４】
（従来技術１）特開２００１−７１４７６に記載の発明は、レーザを一方から液滴に照射し、もう一方で受光し、検出した強度を測定・演算して、液滴のサイズ・速度等の物理データを測定する方法である。
【０００５】
従来技術１では、位置決め手段として、ヘッドの先端がレーザに触れた位置を基準とし、そこからヘッドを所望の距離だけ移動させることで位置決めを行う例が示されている。この方法は簡便であるものの、ノズルが奥まった位置にある場合や、ノズルが並んだプレート面がレーザの進行方向に対して平行でない場合は用いられない。
【０００６】
（従来技術２）特開平１１−１４３１０に記載の発明は、光軸を合わせた２台のテレビカメラの画像を合成して位置情報を取得する手段である。
【０００７】
従来技術２を応用すれば、プレート面の形状によらず位置決めが可能であるものの、画像を取得する装置を新たに配置せねばならず、空間的な制約がある場合には適用できない。また、２台のカメラの制御系、信号処理手段等でシステムが複雑になるという問題がある。
【０００８】
【特許文献１】特開２００１−７１４７６号広報
【特許文献２】特開平１１−１４３１０号広報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の課題の第１は、位置決め操作が必要な光学的測定装置において、対象の周囲の形状等に影響されない光学的測定装置および位置決め方法を提供することである。
【００１０】
本発明の課題の第２は、光学的測定装置において、画像を取得する装置等を用いることなく、空間的な制約のある場合においても適用できる光学的測定装置および位置決め方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、被測定物発生手段から発生される被測定物を測定するための光学的測定装置であって、複数本のレーザ光を発生する手段と、前記複数本のレーザ光を交差させる光学系と、前記複数本のレーザ光の強度を検出する検出器と、前記検出器の出力を演算処理する信号処理手段、前記被測定物発生手段の位置を決める位置決め手段、を有することを特徴としている。
【００１２】
本発明によれば、被測定物を発生する手段から被測定物を発生させ、被測定物をレーザの光軸に通過させることでレーザ強度に変化が生じ、これを検出器で検出すると検出したデータを信号処理して被測定物の物理データを得ることができる。そのため、時間分解能やデータ記憶量・処理速度等が十分に高い検出系及び信号処理系を備えることにより、被測定物が高速かつ多数となっても測定が可能である。また、測定のプローブとなるレーザは複数本配置し、うち１本は測定開始のトリガとして使用し、その他は測定に使用するため、データの取りこぼしを防ぐことができ、効率的にデータをサンプリングすることができる。更に、光学系を用いて複数本のレーザを一点で交差させ、この交差点を測定位置の基準として用いる。この交差点は光学系を操作しなければ不変であるため、空間上の正確な基準となり、測定位置を決定する精度を高めることができる。
【００１３】
また、本発明の前記位置決め手段は、移動手段と、前記被測定物発生手段に接触させる作用部と、を備えることを特徴としている。
【００１４】
本発明によれば、被測定物を測定する位置、および被測定物を発生させる手段の位置を正確に決定することができ、測定の信頼性を高めることができる。また、移動手段と、被測定物発生手段に接触する作用部から構成され、作用部を、適当な原点から目標位置まで移動し、位置決め対象を作用部に接触させることで簡便に位置決めを行うことができる。
【００１５】
更に、本発明の前記作用部は、円筒部分の一端に円錐部分を備え、前記円錐部分の先端に略球状部分を備えることを特徴としている。
【００１６】
本発明によれば、作用部の全体を細長い針状に構成すれば、位置決め対象の周囲の形状等に制限されず位置決めを行うことができる。また、前記円錐部分の先端に略球状部分を備える構造とすれば、先端の球状部分作用部の先端を保護するとともに、被測定物発生手段の表面を保護することができる。
【００１７】
また、本発明の前記作用部は、前記レーザ光に対し不透過性の材質であることを特徴としている。
【００１８】
本発明によれば、作用部によってレーザ光を遮ることで検出器で検出するレーザ光の強度を鋭敏に変化させることができ、作用部を適確に捉えることができるため、位置決めの精度を高めることができる。
【００１９】
また、本発明の前記作用部は、前記レーザ光に対し非反射性の材質であることを特徴としている。
【００２０】
本発明によれば、作用部によるレーザ光の不要な反射を抑え、検出器に反射光が到達することがないため、検出器では検出したいレーザ光だけを正確に捉えることができ、位置決めの精度を高めることができる。また、レーザ光が光学的測定装置の外へ漏出のを防ぐことができる。
【００２１】
更にまた、本発明の前記被測定物発生手段は、インクジェットヘッドであって、前記被測定物は、前記インクジェットヘッドから吐出された液滴であることを特徴としている。
【００２２】
本発明によれば、インクジェットヘッドから吐出された微小な液滴を、正確に測定することができる。また、一定の速度と体積で微小液滴を連続発生することが可能なインクジェットヘッドは、被測定物発生装置として適しており、インクジェットヘッドから吐出された液滴を測定するには、本発明の光学的測定装置は最適である。
【００２３】
また、本発明は、被測定物を測定するための光学的測定装置に対し作用部を用いて前記被測定物を発生させる被測定物発生手段の位置を決める位置決め方法であって、複数本のレーザ光を発生するステップと、前記複数本のレーザ光を交差させるステップと、前記作用部を前記複数本のレーザ光のいずれかに合わせるステップと、前記作用部を前記複数のレーザ光が交差する場所に合わせるステップと、前記作用部を位置決め目標位置に移動するステップと、前記被測定物発生手段を前記作用部に接触させるステップ、からなることを特徴としている。
【００２４】
本発明によれば、位置決め手段を、測定に用いる検出器から取得した信号により動作するように構成しているので、作用部先端がレーザ上にあるか否かの判断を行うための新たな構成は不要となる。またレーザ光の交点を原点とすれば、基準を与える構成等を新たに付加する必要がなく、再現性よく正確に位置決めができる。また、位置決め操作を繰り返し精度良く行うことができる。
【００２５】
更に、本発明は、レーザ光の強度を検出するステップと、検出された前記レーザ光の強度を用いて前記作用部の移動方向を判断するステップ、を有することを特徴としている。
【００２６】
本発明によれば、測定に必要な構成のみで、作用部の移動方向を判断することができ、構成が簡単になる。
【発明の効果】
【００２７】
以上で説明したように、本発明によれば、位置決め操作が必要な光学的測定装置において、対象の周囲の形状等に影響されない光学的測定装置および位置決め方法が可能である。
【００２８】
また、本発明によれば、位置決め操作が必要な光学的測定装置において、画像を取得する装置等を用いず、空間的な制約のある場合においても適用できる光学的測定装置および位置決め方法を提供することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【実施例】
【００３０】
図２は、本発明における光学的測定装置１０のブロック図を示している。レーザ発生手段２０から発したレーザは、光学系３０により複数のレーザ１００に分割・整形される。レーザ１００は、被測定物である液滴８０の移動経路を通過して、光検出手段５０に入射する。光検出手段５０で検出された信号は、信号処理手段６０により処理され、液滴の速度・体積等の物理データが計算される。また光検出手段５０で検出された信号の強度は、表示手段７０により逐次表示される。被測定物である液滴８０の測定を行う場合、被測定物発生手段であるインクジェットヘッド４０は、光学系３０と光検出手段５０との間に配置される。
【００３１】
図３は、本発明において適用される検出部の構成例である。以下、３軸を例として次のように定義する。
Ｘ軸：レーザの進行する向きと反対で、かつ水平面に平行な向き
Ｙ軸：レーザの進行する向きから見て右向きで、かつ水平面に平行な向き
Ｚ軸：液滴の飛行する向きで、かつ水平面に垂直な向き
【００３２】
以上の定め方は、吐出した液滴が水平面に対して垂直方向に飛行すると想定しているが、これに限らず、例えば液滴が水平面に対して平行に飛行する場合には、これに応じて適当に軸を定めれば対応できる。
【００３３】
レーザ発生手段２０の一例である図示しないレーザ光源より発生したレーザ光は、Ｘ軸負の向きに進行し、光学系３０に含まれる図示しないビームスプリッタ等によって分割される。ここでは一例として２本のレーザ光１００ａおよび１００ｂに分割・整形される。この２本のレーザ光１００ａおよび１００ｂは、光学系３０に含まれるレンズ３１によって屈折され、交点１０１において交差し、それぞれ光検出手段５０の一例であるフォトダイオード５１ａおよび５１ｂに入射する。インクジェットヘッド４０は、図示しない駆動回路によって生成された駆動信号により制御され、液滴８０を吐出する。液滴８０は、インクジェットヘッド４０のノズルプレート面４１から、Ｚ軸負の向きに吐出され、測定位置８１ａおよび８１ｂでそれぞれレーザ光１００ａおよび１００ｂと交差し通過する。信号処理手段６０は、例としてアナログ−デジタル変換装置と、計算処理・表示を行うソフトウエアを備えたパーソナルコンピュータで構成される。信号処理手段６０は、フォトダイオード５１ａおよび５１ｂで検出された信号の時間差と信号強度から、測定位置８１ａから８１ｂまでの液滴８０の移動距離を用いて液滴８０の速度を計算し、フォトダイオード５１ａおよび５１ｂで検出された信号の強度から、液滴８０の体積を計算する。表示手段７０は、フォトダイオード５１ａおよび５１ｂで検出した信号の強度変化を数値表示するもので、一例として電圧計で構成する。本発明の位置決め手段９０は、インクジェットヘッド４０のノズルプレート面４１に対向し、レーザ光１００ａおよび１００ｂを挟んだ位置にあるものとする。
【００３４】
図１は、位置決め手段９０の構成例である。位置決め手段９０は、ニードル様の形状の作用部９１と、精密移動手段９３ａ、９３ｂおよび９３ｃを備える。精密移動手段９３ａ、９３ｂおよび９３ｃにより、適当な基準点から目標位置まで作用部９１を移動し、位置決め対象を作用部９１の先端に接触させて位置決めを行う。位置決め対象が接触したことを判定する装置を圧力センサ等で構成し備えてもよい。精密移動手段９３ａ、９３ｂおよび９３ｃは、Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸方向にそれぞれ正確に移動する装置であり、例として手動操作のマイクロメータが挙げられるが、手動に限らず、ステッピングモータ付きのボールねじ、もしくはリニアモータとし、それらの制御装置およびプログラムを備えて自動化しても良い。位置決め手段９０は、レーザ光１００ａおよび１００ｂと同一平面上にある図示しないレールに、固定台９２によって据え付けられる。
【００３５】
図４は、位置決め手段９０の作用部９１の構成例である。作用部９１は円筒形をしており固定されることを目的とした支持部９４と、円錐形をしており対象と接触することを目的とした先端部９５から構成される。作用部９１は、支持部９４をＹ軸方向にし、かつ先端部９５がＹ軸正の向きに向くようにして使用する。位置決め対象に接触する際に圧力がかかり、位置決め対象もしくは先端部９５を損傷する可能性がある場合は、指示部９４と先端部９５の間に、圧力を吸収する機構を弾性手段で構成し備えても良い。作用部９１の材質は、例えばステンレスなどのようにレーザ光を透過しにくく硬い材質が望ましい。また作用部９１の表面は、例えばブラッククロームメッキ等のような、レーザを反射しにくい加工がされていることが望ましい。
【００３６】
先端部９５は、図５に示すように略球状部分９６を備える。略球状部分９６の大きさは、一例としてノズルプレート面４１に開けられたノズルに侵入しない程度の大きさとする。
【００３７】
図６は、図３における位置決め手段９０が、位置決め対象を目標座標に位置決めするステップの例である。以下、位置決め手段にステッピングモータ付きのボールねじを備え、ステッピングモータを駆動するハードウエア、光検出器の出力を入力するハードウエア、マイコンボードおよびこれを操作するプログラムからなる制御装置を備えた例を説明する。本装置はインクジェットヘッド４０のノズルプレート面４１に複数設けられたノズルのうち、１つの被測定ノズルを位置決め対象とする。作用部は３軸方向に対し所望の距離を精密に移動可能で、移動量の最小単位はステッピングモータに１パルス加えたときの移動距離ｐであるとする。ｐはレーザの幅と比較して十分小さくなければならない。位置決め対象は作用部９１の先端部９５に設けられた略球状部分９６の先端に合わせられるのであるが、以下では簡単のため作用部９１を代表させ、例えば、位置決め対象を作用部９１に合わせる、という表現を用いる。
【００３８】
プログラムには次の変数を用いる。
ｘ：作用部９１の現在のＸ軸方向位置
ｙ：作用部９１の現在のＹ軸方向位置
ｚ：作用部９１の現在のＺ軸方向位置
ｄ：目標座標の原点からのＸ軸方向距離
ｈ：目標座標の原点からのＹ軸方向距離
ｔ：Ｙ軸方向に対する作用部９１の移動可能範囲
ｗ：Ｙ軸方向に対するレーザの幅
Ｖａ：電圧計７１ａの表示値
Ｖｂ：電圧計７１ｂの表示値
Ｈ：レーザ上に何も無いと判断するＶａまたはＶｂの閾値
Ｌ：作用部９１がレーザを遮っていると判断するＶａまたはＶｂの閾値
【００３９】
なお、ＨとＬの大小関係について、電圧計７１ａおよび７１ｂはフォトダイオード５１ａおよび５１ｂで検出したレーザ強度をそのまま表示するものとし、Ｈ＞Ｌとする。
【００４０】
位置決めステップは４つの小ステップからなり、
（イ）第１ステップ（図６（１））：作用部９１をレーザ１００ａに合わせる。
（ロ）第２ステップ（図６（２））：作用部９１をレーザ１００ａに沿って移動させ、レーザの交差点１０１に合わせる。以上をもって作用部９１の先端部９５は基準であるレーザの交差点１０１に原点復帰する。
（ハ）第３ステップ（図６（３））：作用部９１をＸ軸方向に距離ｄだけ、Ｚ軸方向に距離ｈだけ移動する。これによって、測定位置８１ａおよび８１ｂの目標位置を決める。
（二）第４ステップ（図６（４））：インクジェットヘッド４１を移動し、被測定ノズルの先端を作用部９１に接触させる。以上をもって位置決めを完了する。
【００４１】
なお、被測定ノズルの先端と測定点８１ａおよび８１ｂの位置関係は、レンズ３１の焦点距離、レンズ３１とフォトダイオード５１ａおよび５１ｂのＸ軸方向距離、フォトダイオード５１ａおよび５１ｂの位置でのレーザ１００ａおよび１００ｂ間のＹ軸方向距離から、計算により求めることができる。
【００４２】
図７は、図６の位置決めステップのうち、第１ステップの詳細を説明したものである。図８は、図７のフローチャートである。始めに作用部９１をレーザ１００ａに合わせる操作を説明する。作用部９１は初期位置においてｘ＝０、ｙ＝０、ｚ＝０とする。また初期位置は、レーザ１００ａのＺ軸方向座標に対して小さい座標で、かつレーザの交差点１０１のＹ軸方向座標に対して小さい座標で、かつレーザの交差点１０１のＸ軸方向座標に対して小さい座標であるとする。作用部９１をＹ軸方向に距離ｐずつ移動しながら（Ｓ１）、電圧計７１ａの表示値Ｖａが閾値Ｌより小さくなるか判定する（Ｓ２）。ｙが０＜ｙ＜ｔで表される移動範囲を外れたら（Ｓ３）、Ｙ軸方向について単位移動距離ｐの符号を反転する（Ｓ４）。またレーザ１００ａの位置は現在の位置よりもＺ軸向きにずれていると判断されるので、Ｚ軸方向に距離ｐ移動し（Ｓ５）、再びＹ軸方向に移動する（Ｓ１）。Ｓ１からＳ５を繰り返しながら、電圧計７１ａの読みＶａを判定する。Ｖａが閾値Ｌより小さくなった位置では、作用部９１はレーザ１００ａ上にある。
【００４３】
次に作用部９１をレーザ１００ａの光軸付近に移動する操作を説明する。電圧計７１ａの読みＶａが閾値Ｌより小さくなった直後の状態から（Ｓ２）、作用部９１をＹ軸方向に距離ｐずつ移動しながら（Ｓ６）、同時に変数ｗを１ずつ増加する（Ｓ７）。電圧計７１ａの読みＶａが閾値Ｌより大きくなった位置でのｗはレーザの幅を表している（Ｓ８）。したがってｗの半分だけ後退すればレーザ１００ａの光軸に作用部９１が重なる。ｗを２で除して（Ｓ９）、Ｙ軸方向について単位移動距離ｐの符号を反転し（Ｓ１０）、さらにｙ軸方向へ移動しながら（Ｓ１１）、ｗを１ずつ減ずる（Ｓ１２）。ｗが０になった位置で第１ステップを終了する（Ｓ１３）。なおｗが２で割り切れなかった場合は、ｗに１加えて除算するか、剰余を無視する操作を行う。
【００４４】
図９は、図６の位置決めステップのうち、第２ステップの詳細である。図１０は、図９のフローチャートである。第１ステップが終了した位置から、作用部９１をＸ軸方向に距離ｐずつ移動する（Ｓ２０）。電圧計７１ａの読みＶａが閾値Ｌより大きくなったら、（Ｓ２１）作用部のＺ軸方向座標がレーザ１００ａの座標よりも小さいと判断されるので、Ｚ軸向きに移動し（Ｓ２２）、電圧計７１ａの読みＶａが閾値Ｌよりも小さくなる位置まで距離ｐずつ移動する（Ｓ２３）。Ｓ２１からＳ２３を繰り返し、作用部９１をレーザ１００ａに沿って移動し、電圧計７１ｂの読みＶｂが閾値Ｌより小さくなった位置を見つけたら（Ｓ２４）、作用部９１はレーザの交点１０１にある。以上で第２ステップを終了する。
【００４５】
第３ステップでは、作用部９１をＸ軸方向に距離ｄだけ、Ｚ軸方向に距離ｈだけ移動する。現在のｘおよびｚの値に、それぞれｄおよびｈを加えた座標まで作用部を移動する。以上で第３ステップを終了する。
【００４６】
第４ステップでは、インクジェットヘッド４１を移動し、被測定ノズルの先端を作用部９１に接触させる。以上の４ステップによって位置決めを完了する。
【００４７】
以上で述べた方法によれば、測定位置を正確に決定することができる。これにより測定結果の精度および信頼性の向上が期待できる。
【００４８】
なお、位置決めの対象であるインクジェットヘッド４１は、ドロップオンデマンド方式としてはピエゾ方式やサーマル方式などのアクチュエータでインクを吐出させるタイプのものや、コンティニュアス方式のものなど、特に形式が限定されるわけではない。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の一実施形態による位置決め手段の構成を示す模式図。
【図２】本発明の一実施形態による光学的測定装置の構成を示すブロック図。
【図３】本発明の一実施形態により被測定物を測定する場合の概念図。
【図４】本発明の作用部の形状の一例を示す模式図。
【図５】本発明の作用部の先端形状の一例を示す模式図。
【図６】本発明の位置決め方法の操作ステップを示す模式図。
【図７】本発明において作用部をレーザに合わせるステップの概念図。
【図８】本発明において作用部をレーザに合わせるステップのフローチャート。
【図９】本発明において作用部をレーザの交点に合わせるステップの概念図。
【図１０】本発明において作用部をレーザの交点に合わせるステップのフローチャート。
【符号の説明】
【００５０】
３１      レンズ
４１      インクジェットヘッドのノズルプレート
５１ａ    フォトダイオードａ
５１ｂ    フォトダイオードｂ
７１ａ    電圧計ａ
７１ｂ    電圧計ｂ
８１ａ    測定位置ａ（レーザと液滴軌跡の交点）
８１ｂ    測定位置ｂ（レーザと液滴軌跡の交点）
９０      位置決め手段
９１      作用部
９２      位置決め装置固定台
９３ａ    Ｘ軸方向の精密移動手段
９３ｂ    Ｙ軸方向の精密移動手段
９３ｃ    Ｚ軸方向の精密移動手段
９４      支持部
９５      先端部
９６      略球状部分
１００ａ  レーザａ
１００ｂ  レーザｂ
１０１    レーザの交差点
【図１】
2006112987.tif 000003
【図２】
2006112987.tif 000004
【図３】
2006112987.tif 000005
【図４】
2006112987.tif 000006
【図５】
2006112987.tif 000007
【図６】
2006112987.tif 000008
【図７】
2006112987.tif 000009
【図８】
2006112987.tif 000010
【図９】
2006112987.tif 000011
【図１０】
2006112987.tif 000012