(57)【要約】【課題】個々の液滴の干渉像の大きさを、ＣＣＤ撮像素子面で均一とし、最適な干渉像の大きさを容易に決めることができる。【解決手段】パルスレーザ１０１と、パルスレーザ１０１より照射されるレーザ光をシート光１０８に変換する送光レンズ系１０２と、レーザ光の光軸に対して、傾斜して配置された受光レンズ系１０３〜１０５と、シート光１０８で照射された液滴群からの散乱光を、受光レンズ系１０３〜１０５を介して、パルスレーザ１０１と同期して撮影するＣＣＤカメラ１０６とからなるインクジェットの液滴測定装置において、２次元状に分布する液滴群１０９を、受光レンズ系１０３〜１０５の光軸とほぼ垂直な面に分布するように、インクジェットのノズル列を配置した。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光レンズ系の光軸とほぼ垂直な面に分布するように配置されたノズル列から液滴群を噴射し、
パルスレーザより照射されたレーザ光を、送光レンズ系によりシート光に変換し、２次元状に分布する前記液滴群を照射し、
前記シート光で照射された前記液滴群からの散乱光を、前記レーザ光の照射方向に対して、傾斜して配置された前記受光レンズ系を介して、ＣＣＤカメラにより前記パルスレーザと同期して撮影する
ことを特徴とする液滴計測方法。
【請求項２】
前記送光レンズ系により、前記ＣＣＤカメラの視野に含まれる前記２次元状に分布する液滴群を照明できる厚みを有するシート光に変換することを特徴とする請求項１に記載の液滴計測方法。
【請求項３】
前記ＣＣＤカメラの視野幅をＬとし、前記レーザ光の光軸と前記受光レンズ系の光軸とがなす角をθとしたときに、前記送光レンズ系により、２Ｌｃｏｓθ〜３Ｌｃｏｓθの厚みを有するシート光に変換することを特徴とする請求項２に記載の液滴計測方法。
【請求項４】
前記２次元状に分布する液滴群の幅をＬ’とし、前記レーザ光の光軸と前記受光レンズ系の光軸とがなす角をθとしたときに、前記送光レンズ系により、２Ｌ’ｃｏｓθ〜３Ｌ’ｃｏｓθの厚みを有するシート光に変換することを特徴とする請求項２に記載の液滴計測方法。
【請求項５】
パルスレーザと、該パルスレーザより照射されるレーザ光をシート光に変換する送光レンズ系と、前記レーザ光の光軸に対して、傾斜して配置された受光レンズ系と、前記シート光で照射された液滴群からの散乱光を、前記受光レンズ系を介して、前記パルスレーザと同期して撮影するＣＣＤカメラとからなる液滴測定装置において、
２次元状に分布する前記液滴群を、前記受光レンズ系の光軸とほぼ垂直な面に分布するように、ノズル列が配置されたことを特徴とする液滴計測装置。
【請求項６】
前記送光レンズ系は、前記ＣＣＤカメラの視野に含まれる前記２次元状に分布する液滴群を照明できる厚みを有するシート光に変換することを特徴とする請求項５に記載の液滴計測装置。
【請求項７】
前記ＣＣＤカメラの視野幅をＬとし、前記レーザ光の光軸と前記受光レンズ系の光軸とがなす角をθとしたときに、前記送光レンズ系で変換されるシート光の厚みは、２Ｌｃｏｓθ〜３Ｌｃｏｓθであることを特徴とする請求項６に記載の液滴計測装置。
【請求項８】
前記２次元状に分布する液滴群の幅をＬ’とし、前記レーザ光の光軸と前記受光レンズ系の光軸とがなす角をθとしたときに、前記送光レンズ系で変換されるシート光の厚みは、２Ｌ’ｃｏｓθ〜３Ｌ’ｃｏｓθであることを特徴とする請求項６に記載の液滴計測装置。
【請求項９】
前記受光レンズ系は、対物レンズ、スリット、および円筒面レンズを有することを特徴とする請求項５乃至８のいずれかに記載の液滴計測装置。
【請求項１０】
前記２次元状に分布する液滴群は、１次元状に配列された複数のノズルで構成されるインクジェットヘッドから１方向に噴射される液滴群であることを特徴とする請求項５乃至９のいずれかに記載のインクジェットの液滴計測装置。
【請求項１１】
パルスレーザと、該パルスレーザより照射されるレーザ光をシート光に変換する送光レンズ系と、前記レーザ光の光軸に対して、傾斜して配置された受光レンズ系と、前記シート光で照射された液滴群からの散乱光を、前記受光レンズ系を介して、前記パルスレーザと同期して撮影するＣＣＤカメラとからなる液滴測定装置において、
１次元状に配列された複数のノズルで構成されるインクジェットヘッドから１方向に噴射される液滴群が、前記受光レンズ系の光軸とほぼ垂直な面に分布するように、前記インクジェットヘッドのノズル列が配置されたことを特徴とする液滴計測装置。
【請求項１２】
前記送光レンズ系は、前記ＣＣＤカメラの視野に含まれる前記液滴群を照明できる厚みを有するシート光に変換することを特徴とする請求項１１に記載の液滴計測装置。
【請求項１３】
前記ＣＣＤカメラの視野幅をＬとし、前記レーザ光の光軸と前記受光レンズ系の光軸とがなす角をθとしたときに、前記送光レンズ系で変換されるシート光の厚みは、２Ｌｃｏｓθ〜３Ｌｃｏｓθであることを特徴とする請求項１２に記載の液滴計測装置。
【請求項１４】
前記２次元状に分布する液滴群の幅をＬ’とし、前記レーザ光の光軸と前記受光レンズ系の光軸とがなす角をθとしたときに、前記送光レンズ系で変換されるシート光の厚みは、２Ｌ’ｃｏｓθ〜３Ｌ’ｃｏｓθであることを特徴とする請求項１２に記載の液滴計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液滴計測方法およびその装置に関し、より詳細には、インクジェット記録装置に搭載されるインクジェットヘッドなどから噴射される液滴の計測、評価を行うための液滴計測方法およびその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、コンピュータの出力装置として、微小なインク滴を紙などの記録材に噴射し、記録材上に文字や画像を形成させるインクジェット記録装置が知られている。インクジェットヘッドから噴射される液滴は、局所空間的、時間的に高密度に分布するが、それら液滴を個々に捉え、その粒径と速度を一括して高精度に計測、評価する技術は、インクジェットヘッドを開発・設計する上で切望されている。
【０００３】
インクジェットからの液滴の噴射に類似するものに、スプレーやディーゼルエンジンのインジェクタ等からの噴霧がある。これらスプレーやインジェクタから噴出した粒子の計測や評価は、従来から行われている。噴霧空間におけるある瞬間を、二次元的に局所的に捉え、その中に存在している液滴のそれぞれの粒径を一括計測する干渉画像法が知られている。
【０００４】
干渉画像法は、以下に説明する原理・現象を利用した方法である。透明な液滴にレーザ光を照射した時、散乱される光を、ある角度で観察した場合の結像面から少し外れたデフォーカス面上に、個々の液滴に対応した粒径に依存しない径を持つ円形状の像ができる。この円形状の像には、レーザ光の照射方向と直交する方向に、液滴表面からの反射光と内部を通る屈折光からの位相差によって生じる粒径に比例した本数の干渉縞ができ、液滴の径と干渉縞の関係は次式により与えられる。
【０００５】
【数１】
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【０００６】
ここに、ｄは液滴の径、λはレーザ波長、Ｎは干渉縞本数、αは対物レンズの集光角、θは散乱角、ｍは屈折率である。
【０００７】
干渉画像法を用いれば、個々の像の干渉縞間隔や、干渉縞そのものを数えることで、噴霧中の液滴径が個々に高精度に算出できる。干渉画像法は、空間に液滴が密に存在する場を測定する場合、円形干渉像同士の重なりが増すために、個々の液滴に対応した干渉縞の弁別が困難であるという課題があった。
【０００８】
例えば、特開２００２−１８１５１５号公報「微小気泡及び微小液滴の径及び分布等の測定方法と装置」には、この課題を解決する方法が提案されている。図６に、従来の干渉画像法液滴測定システムを示す。干渉画像法液滴測定システムは、光源となるＮｄ：ＹＡＧパルスレーザ１００１と、送光レンズ系１００２と、受光側の対物レンズ１００３と、スリット１００４と、１対の円筒面レンズ１００５と、ＣＣＤカメラ１００６と、噴霧器１００７とから構成されている。図中には、レーザ光１００８と、計測領域となる噴霧空間１００９とを合わせて示す。
【０００９】
図７は、従来の干渉画像法液滴測定システムを真上から見た図である。但し、噴霧器１００７は、説明の妨げとなるため不図示とした。受光レンズ系１００３〜１００５は、レーザ光１００８の照射方向に対して、角度θだけ傾斜して配置されている。パルスレーザ１００１から照射されたレーザ光１００８は、送光レンズ系１００２により薄いシート光に変換され、噴霧空間１００９に向けて照射される。シート光によって照明された噴霧空間にある液滴から、受光レンズ系１００３〜１００５の方向に散乱される光を、レーザの発光タイミングに合わせてＣＣＤカメラ１００６により撮影する。
【００１０】
このようにして、噴霧空間の２次元的な断面の液滴情報を得る。この方法の特徴的な構成は、受光レンズ系に円筒面レンズ１００５を挟んでいるところであり、円形の干渉像を干渉縞に平行な縦方向の成分のみ光学的にインフォーカスして圧縮することができる。図８に、円筒面レンズの効果を示す。図８（ａ）は、光学的に圧縮しないときの画像であり、図８（ｂ）は、光学的に圧縮したときの画像である。この方法によれば、空間に液滴が密に存在する場合においても、横方向の干渉縞情報を失うことなく、縦方向の干渉画像同士の重なりのみを減少させ、空間分解能を向上させることができる。
【００１１】
また、２枚の円筒面レンズ１００５の間隔を、受光レンズ系の光軸に沿って任意に調節することで、円形干渉像の径（縦方向に圧縮した場合は横方向の干渉像の長さ）を、干渉縞の緻密さを見ながら最適なものに調節できるという利点がある。さらに、この方法によれば、レーザ光としてダブルパルスレーザを用いることで、短い時間に移動した干渉像の位置ズレをＣＣＤカメラ１００６で捉え、ＰＩＶ法またはＰＴＶ法などの既知の画像処理手法を用いて解析することで、個々の粒子の速度も測定することができる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
干渉画像法は、上述したように、送光レンズ系の光軸と受光レンズ系の光軸とが傾斜した配置を有している。すなわち、受光レンズ系から見て、シート光で二次元的に取り出された液滴群は、奥行きのある被写体となっており、この被写体を斜めから撮影することに相当する。受光レンズ系の焦点面は、受光レンズ系の光軸に垂直な面であるから、ＣＣＤカメラによって捉えられる２次元的に取り出された噴霧空間の画像は、均一にデフォーカスされない。図９に、左右の干渉像の径の差異を示す。このように、円筒面レンズで圧縮される前の円形干渉像の径、個々の液滴の干渉像の大きさは、ＣＣＤ撮像素子面の手前側と奥側の領域で異なるという問題があった。
【００１３】
干渉画像法では、干渉縞の間隔を解析可能な範囲に保ちつつ、かつ干渉縞に垂直な横方向の干渉画像同士が重ならないように、干渉像の大きさを調節しなければならない。このため、局所的に高密度に噴射された液滴を計測したい場合には、画面上で干渉像の大きさが異なるものが共存すると、計測可能な噴霧密度の上限に係り、またＣＣＤ撮像素子のエリアを有効に活用できないという問題もあった。
【００１４】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、個々の液滴の干渉像の大きさが、ＣＣＤ撮像素子面で均一になり、最適な干渉像の大きさを決めることが容易にできる液滴計測方法およびその装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、受光レンズ系の光軸とほぼ垂直な面に分布するように配置されたノズル列から液滴群を噴射し、パルスレーザより照射されたレーザ光を、送光レンズ系によりシート光に変換し、２次元状に分布する前記液滴群を照射し、前記シート光で照射された前記液滴群からの散乱光を、前記レーザ光の照射方向に対して、傾斜して配置された前記受光レンズ系を介して、ＣＣＤカメラにより前記パルスレーザと同期して撮影することを特徴とする。
【００１６】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の前記送光レンズ系により、前記ＣＣＤカメラの視野に含まれる前記２次元状に分布する液滴群を照明できる厚みを有するシート光に変換することを特徴とする。
【００１７】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の液滴計測方法において、前記ＣＣＤカメラの視野幅をＬとし、前記レーザ光の光軸と前記受光レンズ系の光軸とがなす角をθとしたときに、前記送光レンズ系により、２Ｌｃｏｓθ〜３Ｌｃｏｓθの厚みを有するシート光に変換することを特徴とする。
【００１８】
請求項４に記載の発明は、請求項２に記載の液滴計測方法において、前記２次元状に分布する液滴群の幅をＬ’とし、前記レーザ光の光軸と前記受光レンズ系の光軸とがなす角をθとしたときに、前記送光レンズ系により、２Ｌ’ｃｏｓθ〜３Ｌ’ｃｏｓθの厚みを有するシート光に変換することを特徴とする。
【００１９】
請求項５に記載の発明は、パルスレーザと、該パルスレーザより照射されるレーザ光をシート光に変換する送光レンズ系と、前記レーザ光の光軸に対して、傾斜して配置された受光レンズ系と、前記シート光で照射された液滴群からの散乱光を、前記受光レンズ系を介して、前記パルスレーザと同期して撮影するＣＣＤカメラとからなる液滴測定装置において、２次元状に分布する前記液滴群を、前記受光レンズ系の光軸とほぼ垂直な面に分布するように、ノズル列が配置されたことを特徴とする。
【００２０】
請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の前記送光レンズ系は、前記ＣＣＤカメラの視野に含まれる前記２次元状に分布する液滴群を照明できる厚みを有するシート光に変換することを特徴とする。
【００２１】
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の液滴計測装置において、前記ＣＣＤカメラの視野幅をＬとし、前記レーザ光の光軸と前記受光レンズ系の光軸とがなす角をθとしたときに、前記送光レンズ系で変換されるシート光の厚みは、２Ｌｃｏｓθ〜３Ｌｃｏｓθであることを特徴とする。
【００２２】
請求項８に記載の発明は、請求項６に記載の液滴計測装置において、前記２次元状に分布する液滴群の幅をＬ’とし、前記レーザ光の光軸と前記受光レンズ系の光軸とがなす角をθとしたときに、前記送光レンズ系で変換されるシート光の厚みは、２Ｌ’ｃｏｓθ〜３Ｌ’ｃｏｓθであることを特徴とする。
【００２３】
請求項９に記載の発明は、請求項５乃至８のいずれかに記載の前記受光レンズ系は、対物レンズ、スリット、および円筒面レンズを有することを特徴とする。
【００２４】
請求項１０に記載の発明は、請求項５乃至９のいずれかに記載の前記２次元状に分布する液滴群は、１次元状に配列された複数のノズルで構成されるインクジェットヘッドから１方向に噴射される液滴群であることを特徴とする。
【００２５】
請求項１１に記載の発明は、パルスレーザと、該パルスレーザより照射されるレーザ光をシート光に変換する送光レンズ系と、前記レーザ光の光軸に対して、傾斜して配置された受光レンズ系と、前記シート光で照射された液滴群からの散乱光を、前記受光レンズ系を介して、前記パルスレーザと同期して撮影するＣＣＤカメラとからなる液滴測定装置において、１次元状に配列された複数のノズルで構成されるインクジェットヘッドから１方向に噴射される液滴群が、前記受光レンズ系の光軸とほぼ垂直な面に分布するように、前記インクジェットヘッドのノズル列が配置されたことを特徴とする。
【００２６】
請求項１２に記載の発明は、請求項１１に記載の前記送光レンズ系は、前記ＣＣＤカメラの視野に含まれる前記液滴群を照明できる厚みを有するシート光に変換することを特徴とする。
【００２７】
請求項１３に記載の発明は、請求項１２に記載の液滴計測装置において、前記ＣＣＤカメラの視野幅をＬとし、前記レーザ光の光軸と前記受光レンズ系の光軸とがなす角をθとしたときに、前記送光レンズ系で変換されるシート光の厚みは、２Ｌｃｏｓθ〜３Ｌｃｏｓθであることを特徴とする。
【００２８】
請求項１４に記載の発明は、請求項１２に記載の液滴計測装置において、前記２次元状に分布する液滴群の幅をＬ’とし、前記レーザ光の光軸と前記受光レンズ系の光軸とがなす角をθとしたときに、前記送光レンズ系で変換されるシート光の厚みは、２Ｌ’ｃｏｓθ〜３Ｌ’ｃｏｓθであることを特徴とする。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。本発明では、測定される液滴群は、２次元状に分布していることを前提としている。このとき、本発明によれば、液滴群は、ほぼ受光レンズ系の光軸に垂直な面に分布する。言い換えれば、レーザシート光により照らし出される被写体となる液滴群は、ほぼ受光レンズ系の焦点面に並行な面に分布するので、液滴群はどの位置にあっても、ほぼ均等にデフォーカスすることができる。従って、ＣＣＤカメラによって捉えられる個々の液滴の干渉像の大きさを、画面上でほぼ均一にすることができる。
【００３０】
図１は、本発明の一実施形態にかかる液滴測定システムを示す斜視図である。本実施形態では、一例として、インクジェット記録装置のインクジェットヘッドから噴霧される液滴の計測、評価を行う液滴測定システムについて説明する。液滴測定システムは、光源となるＮｄ：ＹＡＧパルスレーザ１０１と、送光レンズ系１０２と、受光側の対物レンズ１０３と、スリット１０４と、１対の円筒面レンズ１０５と、ＣＣＤカメラ１０６と、１次元状に配列をした複数のノズルより液滴を噴射するインクジェットヘッド１０７とから構成されている。図中には、レーザ光１０８と、計測領域となるインクジェット滴の吐出空間１０９とを合わせて示す。
【００３１】
図２は、本発明の一実施形態にかかるインクジェットの液滴測定システムの配置を示す上面図である。但し、インクジェットヘッド１０７は、説明の妨げとなるため不図示とした。
【００３２】
図３は、インクジェットヘッドのノズル面を示す拡大図である。典型的なインクジェットヘッド１０７は、吐出口１１１を有するノズル１１０と、各ノズル共通の液室１１２とを備えている。図３では、紙面から手前側に向かう鉛直方向に、複数のノズル１１０より微小な液滴が噴射される。噴射の為のアクチュエータは、各吐出口の真下にそれぞれ配置されるが、図示していない。加えて各アクチュエータを駆動するための配線等も省略している。図３のように、ノズルが２列平行して並んでいる場合であっても、それぞれのノズル列が近接して配列されている場合には、ノズルより噴射される液滴群は、ほぼ２次元の面内に分布していると見なしても良く、本発明の効果を損なうものではない。
【００３３】
受光レンズ系１０３〜１０５は、レーザ光１０８の照射方向について、角度θだけ傾斜して配置されている。インクジェットヘッド１０７の吐出タイミングに合わせて、レーザ光源１０１から送光レンズ系１０２を経て、吐出空間１０９に向けてシート状のレーザ光１０８が照射される。レーザ光１０８が照射による散乱光にタイミングを合わせて、受光レンズ系１０３〜１０５は、散乱される液滴からの光を撮影する。
【００３４】
図４に、噴霧空間付近の詳細を示す。インクジェットヘッド１０７からの液滴の噴射は、１次元状に配列をした複数のノズルより液滴を噴射する。このとき、インクジェットヘッド１０７のノズル列を、受光レンズ系の光軸に垂直になるように傾けて配置する。言い換えれば、インクジェットの吐出面が受光レンズ系の焦点面に並行になるように配置し、かつこのような配置で計測可能な測定視野に含まれる液滴を全て照明するような厚みのレーザシート光を作成する。
【００３５】
例えば、ＣＣＤカメラ１０６の視野の幅をＬとする。視野に含まれる液滴を無駄なく測定するためには、レーザ光１０８の厚みは、インクジェットヘッド１０７の直下において、Ｌｃｏｓθ必要である。通常、レーザ光のエネルギーは、ガウス分布しているので、好ましくは、Ｌｃｏｓθの２〜３倍以上の厚みを有するレーザ光１０８にすればよい。
【００３６】
このようにして、視野中に照明される液滴は、どの位置にあっても、ほぼ均等にデフォーカスすることができる。図５に、本実施形態により得られる干渉像を示す。ＣＣＤカメラによって捉えられる円筒レンズで圧縮される前は円形干渉像の径、個々の液滴の干渉像の大きさは、画面上でほとんど均一になる。
【００３７】
インクジェットヘッド１０７のノズル列の長さをＬ’とする。ノズルから噴射される液滴を全て測定する場合、レーザ光１０８の厚みは、インクジェットヘッドの直下において、Ｌ’ｃｏｓθ必要となる。上述したように、レーザのエネルギーはガウス分布しているので、好ましくはＬ’ｃｏｓθの２〜３倍以上の厚みを有するレーザ光１０８にすればよい。このようにして、インクジェットヘッド１０７から吐出する液滴は全て照明され、かつ全てがほぼ均等にデフォーカスすることができる。
【００３８】
本実施形態では、インクジェット記録装置について説明した。スプレーやディーゼルエンジンのインジェクタ等からの噴霧は、３次元的に一様に液滴が分布する。このような噴霧空間を解析する場合に、本発明の構成を適用するためには、スプレーの出射口から少し離した位置にスリットを置き、３次元の噴霧を物理的に２次元にして取り出して、２次元状に分布する液滴群とする。スリットの傾斜向きは、受光レンズ系の光軸に垂直になるように傾けて配置する。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、個々の液滴の干渉像の大きさが、ＣＣＤ撮像素子面で均一になるので、容易に最適な干渉像の大きさを決めることが可能となる。
【００４０】
また、本発明によれば、１次元的配列をしたノズル列より液滴を局所的かつ高密度に噴射するようなインクジェットの計測に適用すれば、ＣＣＤ撮像素子のエリアを有効に活用でき、画像処理も容易に行うことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態にかかるインクジェットの液滴測定システムを示す斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態にかかるインクジェットの液滴測定システムの配置を示す上面図である。
【図３】インクジェットヘッドのノズル面を示す拡大図である。
【図４】噴霧空間付近の詳細を示す上面図である。
【図５】本発明の一実施形態にかかるインクジェットの液滴測定システムにより得られる干渉像を示す図である。
【図６】従来の干渉画像法液滴測定システムを示す斜視図である。
【図７】従来の干渉画像法液滴測定システムの配置を示す上面図である。
【図８】円筒面レンズの効果を説明するための図である。
【図９】左右の干渉像の径の差異を説明するための図である。
【符号の説明】
１０１，１００１　　ＹＡＧパルスレーザ
１０２，１００２　　送光レンズ系
１０３，１００３　　対物レンズ
１０４，１００４　　スリット
１０５，１００５　　円筒面レンズ
１０６，１００６　　ＣＣＤカメラ
１０７　　インクジェットヘッド
１００７　　噴霧器
１０８，１００８　　レーザ光
１０９　　吐出空間
１００９　　噴霧空間
【図１】
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【図２】
2004058627.tif 000005
【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】
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【図８】
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【図９】
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