(57)【要約】【課題】検出手段に超音波を用いた、簡単な構造の気泡検出センサを低価格で提供する。【解決手段】気泡検出センサ１は、液体を搬送するチューブ２の途中に取り付けられた金属管３１と、金属管３１の外周部に取り付けられ、超音波を発生するトランスミッタ３２ａと、金属管３１の外周部に取り付けられ、金属管３１を伝播する超音波振動を受信して電気信号に変換するレシーバ３２ｂとを備える。気泡検出センサ１は、金属管３１を伝播する超音波の特性が、管内を流れる液体の有無によって変化する現象を利用して、気泡の存在を検出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を搬送する配管の途中に取り付けられた金属管と、
前記金属管の外周部に取り付けられ、超音波を発生する第１の圧電素子と、
前記金属管の外周部に取り付けられ、当該金属管を伝播する超音波振動を受信して電気信号に変換する第２の圧電素子と、
前記第１の圧電素子の駆動信号を生成する駆動手段と、
前記第２の圧電素子の受信信号に基づいて前記金属管内に気泡が含まれているか否かを判定する判定手段と、を備えたことを特徴とする気泡検出センサ。
【請求項２】
前記駆動手段の駆動信号として、矩形波が一定の間隔で繰り返される信号を用いる、請求項１に記載の気泡検出センサ。
【請求項３】
前記第２の圧電素子の受信信号は、増幅手段を介して前記判定手段に送信され、
当該増幅手段は、前記第２の圧電素子の受信信号から所定の帯域の周波数成分を取り出すバンドパスフィルタと、当該バンドパスフィルタの出力信号を増幅するアンプとで構成される、請求項１または２に記載の気泡検出センサ。
【請求項４】
前記判定手段は、前記増幅手段の出力値が、予め定めた閾値以上の場合は、前記金属管が気泡で満たされていると判定し、前記増幅手段の出力値が、予め定めた閾値未満の場合は、前記金属管が液体で満たされていると判定する、請求項１ないし３のいずれかに記載の気泡検出センサ。
【請求項５】
前記金属管として円筒状のパイプを用い、かつ前記第１および第２の圧電素子として、内径が前記金属管の外径と略等しいリング状の圧電素子を用い、
前記第１および第２の圧電素子の中空部に前記金属管を挿入し接着材で固定する、請求項１ないし４のいずれかに記載の気泡検出センサ。
【請求項６】
前記金属管の長さは、当該金属管の径方向の共振周波数における波長をλとしたとき、λ×（２ｎ−１）／２（ｎは自然数）に設定される、請求項１ないし５のいずれかに記載の気泡検出センサ。
【請求項７】
前記第１および第２の圧電素子は同一の大きさであり、かつ当該第１および第２の圧電素子の間隔は、λ×ｍ／２（ｍは自然数）に設定される、請求項６に記載の気泡検出センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、配管内を流れる液体に含まれる気泡を検出する気泡検出センサに関し、特に、インクジェットプリンタにおいてインクの残量を確認するのに好適な気泡検出センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
カートリッジを用いてインクを供給するタイプのインクジェットプリンタにおいて、インク残量の確認は、カートリッジに設けられた窓を介して使用者が目視により行うか、カートリッジに内蔵された残量検出センサ、カートリッジから吸引するためのポンプの圧力変化などによって行っている。
【０００３】
上述の確認方法のうち目視による検査は、作業者が行う必要があるため、省力化の妨げとなり、一方、カートリッジ内にセンサや流路内部に圧力センサを設けた場合、コストアップの原因となる。
【０００４】
これらの問題を解決する手段として、カートリッジとプリンタヘッドとを結ぶチューブ（配管）にセンサを取り付け、インク内に含まれる気泡が増えたときに、それを検出することによってインクの残量を確認することが考えられる。
【０００５】
チューブ内を流れる液体に含まれる気泡を検出する手段として、電気、光および音のいずれかが用いられる。
【０００６】
電気による検出は、配線をチューブに巻き付け、チューブ内のインク（液体）と空気の透磁率の違いによるインダクタンスの差異を検出するものであるが、インク材の透磁率に合わせて閾値を調節する必要がある。
【０００７】
光による検出は簡易であるが、電気と同様、インク材の色や屈折率にあわせて閾値を調節する必要がある。
【０００８】
一方、音（振動）による検出は、インク材と空気（気泡）の音響インピーダンスの差が３７５０倍（インク材１．５Ｍｒａｙｌ、空気０．０００４Ｍｒａｙｌ）と大きいため、閾値の調節が容易である。更に、インク材の種類が変わっても、音響インピーダンスに大きな差がないため、空気と液体の検出方法として適している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００９−２２９４１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
特許文献１には、超音波を利用してチューブ内を流れる液体の存在を検出するセンサが開示されている。具体的には、ステンレス鋼管（ＳＵＳ管）の外側に超音波センサを取り付け、管内に液体または空気のいずれが存在するかによって、センサで受信する信号に違いが生じることを利用して、液体と空気の有無を検出している。
【００１１】
特許文献１に記載のセンサは、構造が簡単であり、かつインクを移送するチューブにＳＵＳ管を取り付けるだけで済むため、保守性に優れている。その一方、センサで検出できる信号が微弱であるため検出誤差が大きく、更に、高感度のアンプを用いて信号を増幅する必要があるため、装置が高価格になる問題があった。
【００１２】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、検出手段に超音波を用いた、簡単な構造の気泡検出センサを低価格で提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するため、本発明にかかる気泡検出センサは、
液体を搬送する配管の途中に取り付けられた金属管と、
前記金属管の外周部に取り付けられ、超音波を発生する第１の圧電素子と、
前記金属管の外周部に取り付けられ、当該金属管を伝播する超音波振動を受信して電気信号に変換する第２の圧電素子と、
前記第１の圧電素子の駆動信号を生成する駆動手段と、
前記第２の圧電素子の受信信号に基づいて前記金属管内に気泡が含まれているか否かを判定する判定手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１４】
ここで、前記駆動信号として、矩形波が一定の間隔で繰り返される信号を用いることが好ましい。
【００１５】
また前記第２の圧電素子の受信信号は、増幅手段を介して前記判定手段に送信され、当該増幅手段は、前記第２の圧電素子の受信信号から所定の帯域の周波数成分を取り出すバンドパスフィルタと、当該バンドパスフィルタの出力信号を増幅するアンプとで構成されることが好ましい。
【００１６】
前記判定手段は、前記増幅手段の出力値が、予め定めた閾値以上の場合は、前記金属管が気泡で満たされていると判定し、前記増幅手段の出力値が、予め定めた閾値未満の場合は、前記金属管が液体で満たされていると判定する。
【００１７】
また前記金属管として円筒状のパイプを用い、かつ前記第１および第２の圧電素子として、内径が前記金属管の外径と略等しいリング状の圧電素子を用い、前記第１および第２の圧電素子の中空部に前記金属管を挿入し接着材で固定することが好ましい。
【００１８】
前記金属管の長さは、当該金属管の径方向の共振周波数における波長をλとしたとき、λ×（２ｎ−１）／２（ｎは自然数）に設定することが好ましい。
【００１９】
更に、前記第１および第２の圧電素子は同一の大きさであり、かつ当該第１および第２の圧電素子の間隔は、λ×ｍ／２（ｍは自然数）に設定することが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、簡単な構造でありながら、十分な感度を備えた気泡検出センサを低価格で実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施の形態１に係る気泡検出センサの全体構成を示すブロック図である。
【図２】図１の気泡検出センサのセンサ本体の外観を示す斜視図である。
【図３】同センサ本体の寸法を説明する図である。
【図４】トランスミッタの駆動信号（ａ）とレシーバの受信信号（ｂ）を示すタイムチャートである。
【図５】トランスミッタに連続矩形波を印加したときのトタンスミッタの駆動信号およびレシーバの受信信号の周波数特性を示すグラフである。
【図６】本発明の実施の形態２におけるセンサ本体の構成と定在波との関係を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態にかかる気泡検出センサについて、図面を参照して説明する。
【００２３】
（実施の形態１）
図１に、本発明の実施の形態１に係る気泡検出センサの全体構成を示す。以下の説明では、気泡検出センサを、インクジェットプリンタにおいてインクの残量を確認する手段として用いるものとする。
【００２４】
本実施の形態に係る気泡検出センサ１は、インクを移送するチューブ２の途中に配されたセンサ本体３と、センサ本体３に駆動信号を供給すると共に、センサ本体３からの受信信号を処理して、インクの残量が少なく、気泡が多く含まれている場合に警告を行う信号処理回路４とで構成されている。
【００２５】
＜センサ本体の構成と機能＞
最初に、センサ本体３の構成と機能について説明する。センサ本体３は、分割された２本のチューブ２の間に取り付けられた金属管３１、ならびにこの金属管３１の外周面に装着された２個のリング状圧電素子３２ａおよび３２ｂで構成されている。
【００２６】
２個のリング状圧電素子３２ａ、３２ｂは大きさが等しく、そのうち第１の圧電素子３２ａは、信号処理回路４から供給される駆動信号によって超音波を発生させる振動子で、以後、トランスミッタ３２ａという。一方、第２の圧電素子３２ｂは、トランスミッタ３２ａから出力され、金属管３１を伝播する超音波振動を受信して電気信号に変換する振動子で、以後、レシーバ３２ｂという。
【００２７】
センサ本体３の具体的な説明を行う前に、気泡検出の原理について説明する。本発明に係る気泡検出センサ１は、金属管３１を伝播する音波の特性が、管内を流れる液体（本実施の形態ではインク）の有無によって変化する現象を利用して、気泡の存在を検出するものであり、液体の残量が少なくなって気泡の量が増えたときに、それを検出して使用者に知らせることができる。
【００２８】
具体的には、液体で満たされている金属管３１は、トランスミッタ３２ａから送出された超音波振動に対して共振体として機能し、金属管３１内が音響負荷となる気泡で満たされた場合は、金属管３１の共振周波数がずれることで、レシーバ３２ｂの受信信号の値が変化する。従って、レシーバ３２ｂで受信した信号の電圧値を比較することで、気泡の量が増えたか否かを検出することができる。
【００２９】
本実施の形態では、レシーバ３２ｂで受信する信号の値をできるだけ大きくするために、トランスミッタ３２ａの駆動信号として矩形波が一定間隔で繰り返えされる信号（以降、「連続矩形波」という）を用い、更に、トランスミッタ３２ａおよびレシーバ３２ｂの取り付け位置を工夫している。以下、図２および図３を参照して、金属管３１に伝播される超音波振動について説明する。
【００３０】
図２はセンサ本体３の外観を示し、リング状のトランスミッタ３２ａの両面に形成された一対の電極３３の間に連続矩形波の駆動信号を印加すると、矢印で示すように、トランスミッタ３２ａが径方向に振動して超音波振動を発生させる。その超音波振動は金属管３１を伝播してレシーバ３２ｂに到達し、レシーバ３２ｂを矢印で示す方向に振動させ、レシーバ３２ｂの一対の電極３４間に電圧を発生させる。
【００３１】
図３に、本実施の形態で使用した金属管３１、ならびに２つの圧電素子３２ａおよび３２ｂの具体的な寸法と配置を示す。本実施の形態では、金属管３１としてステンレス鋼（ＳＵＳ）で作成された円筒状のパイプを用い、リング状圧電素子３２ａ、３２ｂの中空部にパイプを挿入した。パイプの外径は３ｍｍ、厚みは０．３ｍｍ、長さは３０ｍｍである。またリング状圧電素子３２ａ、３２ｂとして、外径６ｍｍ、内径３ｍｍ、厚み２ｍｍの富士セラミック製の圧電素子を用いた。
【００３２】
そして図３に示すように、金属管３１の端から１０ｍｍ離れた位置に、トランスミッタ３２ａとレシーバ３２ｂを接着剤（ヘンケルジャパン製、商品名「エイブルボンド」）を用いて固定した。
【００３３】
トランスミッタ３２ａとレシーバ３２ｂの間隔については、それぞれの位置を変えながらトランスミッタ３２ａの駆動を繰り返し、レシーバ３２ｂの受信信号が最大となる６ｍｍに設定した。同様に、トランスミッタ３２ａに印加する駆動信号については、繰り返し周波数を変え、レシーバ３２ｂの受信信号が最大となる繰り返し周波数３１５ｋＨｚ、電圧１Ｖの連続矩形波を用いた。
【００３４】
図４（ａ）に、トランスミッタ３２ａに印加された駆動信号、また図４（ｂ）に、レシーバ３２ｂで電気信号に変換された受信信号を、オシロスコープで計測した波形をそれぞれ示す。図４（ｂ）において、一点鎖線で示した波形は、金属管３１内が空気で満たされたときの波形、実線で示した波形は、金属管３１内が水で満たされたときの波形である。
【００３５】
図４（ａ）と（ｂ）の波形を比較すると、駆動信号の波形に対して受信信号の波形は４５度位相がずれている。これは、トランスミッタ３２ａとレシーバ３２ｂの間隔が６ｍｍであり、金属管３１内を超音波振動が伝播してレシーバ３２ｂに到達するのに１μＳ程度かかるためである。
【００３６】
金属管３１内が水で満たされたときと空気で満たたされたときで、位相にほとんど変化はないが、レシーバ３２ｂの受信信号の強度は、金属管３１内の水を空気に変えた場合、１／２．６程度に減少した。
【００３７】
図５に、駆動信号および受信信号の周波数特性を示す。図において、実線は駆動信号、一点鎖線は金属管が空気で満たされたときの受信信号、破線は金属管が水で満たされたときの受信信号を示す。
【００３８】
図から、検出感度の指標となる各信号のダイナミックレンジが広いことが確認できる。また、金属管内が水で満たされると、基準となる共振周波数に対して７００ｋＨｚ〜８００ｋＨｚの周波数成分が１５ｄＢ程度減少していることがわかる。
【００３９】
これは、金属管内が空気で満たされた場合の金属管の共振エネルギーが、水が入ることで消散することを意味している。この事実より、７８０ｋＨｚ付近でのレシーバ３２ｂの受信信号の値を比較することで、金属管内が水または空気のいずれで満たされているかを判定できる。
【００４０】
＜信号処理回路の構成と機能＞
次に、図１のブロック図および図４のタイムチャートを参照して、本実施の形態に係る気泡検出センサ１の信号処理回路４の構成と機能を説明する。信号処理回路４は、駆動部４１、増幅部４２、制御部４３、判定部４４および警告部４５で構成されている。
【００４１】
細線の矢印で示すように、制御部４３は、駆動部４１、増幅部４２、判定部４４および警告部４５の動作を制御する。また制御部４３および判定部４４はマイクロプロセッサによって実現され、メモリには、それらの機能を実現するプログラムが格納されている。
【００４２】
なお、駆動部４１は、特許請求の範囲に記載した駆動手段に相当する。同様に、増幅部４２は増幅手段に相当し、判定部４４は判定手段に相当する。
【００４３】
駆動部４１はトランスミッタ３２ａの駆動信号を生成するもので、コンパレータ等の簡単なデジタル回路で構成されている。前述したように、本実施の形態では、駆動信号として連続矩形波を用いている（図４（ａ）参照）。具体的には、周波数３１５ｋＨｚ、電圧１Ｖの連続矩形波の駆動信号をトランスミッタ３２ａの一対の電極３３間に印加している。
【００４４】
増幅部４２は、レシーバ３２ｂで受信した信号を増幅した後、判定部４４に出力するもので、バンドパスフィルタとアンプで構成されている。レシーバ３２ｂの受信信号を、中心周波数が７８０ｋＨｚにある狭帯域のバンドパスフィルタを通過させると、金属管３１がインクで満たされている場合と空気が満たされている場合で、出力電圧の値が大きく変化する。
【００４５】
増幅部４２で増幅され、かつ特定の周波数成分が取り出された受信信号は、予め閾値が設定された判定部４４で判定される。受信信号の電圧の値が閾値より小さい場合、金属管３１内がインクで満たされていると判定し、警告部４５には信号を出力しない。一方、受信信号の電圧値が閾値以上の場合、金属管３１の内部が気泡で満たされていると判定し、警告部４５に信号を出力する。
【００４６】
警告部４５にはスピーカおよびＬＥＤが内蔵されており、判定部４４からの信号を受信した警告部４５は、音声および光を用いて、金属管内が気泡で満たされていること、すなわちインクが残り少ないことを使用者に知らせる。
【００４７】
警告部４５の警告により、インクが残り少ないことを知った使用者は、インクタンクにインクを充填し、またはカートリッジを交換して、印刷の中断や印字のかすれ未然に防止する。
【００４８】
なお、判定部４４における閾値については、インクに含まれる気泡の量を考慮して設定する。例えば、金属管内を流れるインクがなくなり、ほとんどが空気になったときの値を閾値として設定してもよい。
【００４９】
以上説明したように、本実施の形態にかかる気泡検出センサは、簡単な構造でありながら、十分な感度を備えており、インクタンクからインクヘッドに移送されるインクの残量を簡単に確認できるため、インクジェットプリンタの保守性を大幅に改善できる。
【００５０】
（実施の形態２）
実施の形態１では、トランスミッタ３２ａとレシーバ３２ｂとの間隔を、実験によりレシーバ３２ｂの受信信号が最大となる値に設定したが、金属管３１の長さについては、特に制限を設けていない。
【００５１】
これに対し、本実施の形態では、金属管３１に定在波を生じさせ、かつ２つの圧電素子３２ａおよび３２ｂを定在波の腹の位置に設置することで、レシーバ３２ｂの受信信号の最大化を図っている。図６に、金属管３１を伝播する超音波振動によって定在波ＳＷが生じる様子を示す。
【００５２】
前述したように、トランスミッタ３２ａによって発生する超音波の振幅およびレシーバ２３ｂによって発生する受信信号の値は微弱である。図６に示すように、金属管３１に定在波ＳＷを生じさせ、かつ定在波ＳＷの腹の位置にトランスミッタ３２ａとレシーバ３２ｂを設置すると、それぞれの振幅が最大となる。結果として、トランスミッタ３２ａの駆動信号に対してレシーバ３２ｂの受信信号の値が最大となる。
【００５３】
金属管の長さＬについては、金属管の径方向の共振周波数における波長λに対し、Ｌ＝λ×（２ｎ−１）/２（ｎは自然数）に設定すれば、金属管の長さによる位相ズレがない定在波が生成される。一方、トランスミッタとレシーバの間隔Ｗについては、Ｗ＝λ×ｍ／２（ｍは自然数）にすれば、圧電素子の受信信号の値が最大となる。
【００５４】
なお、波長λは以下の式で求められる。
波長λ＝（金属管を伝播する超音波の音速）÷（金属管の径方向の共振周波数）
【００５５】
具体的に説明すると、図６（ａ）は、Ｌ＝λ、Ｗ＝λ／２の状態を示す。同様に、図６（ｂ）は、Ｌ＝３／２λ、Ｗ＝λ／２の状態、図６（ｃ）は、Ｌ＝２λ、Ｗ＝λ／２の状態、図６（ｄ）は、Ｌ＝５／２λ、Ｗ＝３／２λの状態をそれぞれ示す。図６（ａ）〜（ｄ）のいずれかの状態を実現することにより、センサの感度を高めて、気泡有無の判定精度を向上させることができる。
【００５６】
なお、上述した各実施の形態では、本発明に係る気泡検出センサを、インクジェットプリンタにおいてインク残量を確認するために用いたが、センサの用途はこれに限定されない。本発明に係る気泡検出センサは、アルコールや化学薬品等の様々な液体の残量を検出する手段としても有効である。
【符号の説明】
【００５７】
１  気泡検出センサ
２  チューブ
３  センサ本体
４  信号処理回路
３１  金属管
３２ａ  トランスミッタ（圧電素子）
３２ｂ  レシーバ（圧電素子）
３３、３４  電極
４１  駆動部
４２  増幅部
４３  制御部
４４  判定部
４５  警告部
【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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