(57)【要約】【課題】  振動部の振動特性を向上させることができる圧電装置を提供する。【解決手段】  キャビティ43が第１面側に開口する基部と、基部の第２面側に形成された第１電極層４６と、第１電極層４６に積層された圧電層４７と、第２面と圧電層４７との間に位置して圧電層４７を支持する補助電極層４８と、圧電層４７に積層されると共に補助電極層４８に接続された第２電極層４９と、を備える。キャビティ４３に対応する領域に位置する部分の第１電極層４６、第２電極層４９、及び補助電極層４８は、全体として、圧電層４７の本体部４７ａの中心を通る２つの対称軸O1,O2を持つような略対称の形状を成している。キャビティ４３は、前記２つの対称軸を持つ対称形状を成している。【選択図】  図１２
2005099039.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに対向する第１面及び第２面を有する基部であって、検出対象の媒体を受け入れるためのキャビティが、前記第１面側に開口するようにして形成され、前記キャビティの底面部が振動可能に形成されている基部と、
前記基部の前記第２面側に形成された第１電極層と、
前記第１電極層に積層され、前記キャビティに対応する領域の中に形成された本体部を有する圧電層と、
前記基部の前記第２面側に形成され、少なくとも一部が前記第２面と前記圧電層との間に位置して前記圧電層を支持する補助電極層と、
前記圧電層に積層されると共に前記補助電極層に接続された第２電極層と、を備え、
前記キャビティに対応する領域に位置する部分の前記第１電極層、前記第２電極層、及び前記補助電極層は、全体として、前記圧電層の前記本体部の中心を通る２つの対称軸を持つような略対称の形状を成しており、
前記キャビティは、前記２つの対称軸を持つ対称形状を成していることを特徴する圧電装置。
【請求項２】
前記キャビティに対応する領域に位置する部分の前記圧電層は、前記２つの対称軸を持つような略対称の形状を成していることを特徴する請求項１記載の圧電装置。
【請求項３】
互いに対向する第１面及び第２面を有する基部であって、検出対象の媒体を受け入れるためのキャビティが、前記第１面側に開口するようにして形成され、前記キャビティの底面部が振動可能に形成されている基部と、
前記基部の前記第２面側に形成された第１電極層と、
前記第１電極層に積層され、前記キャビティに対応する領域の中に形成された本体部を有する圧電層と、
前記基部の前記第２面側に形成され、少なくとも一部が前記第２面と前記圧電層との間に位置して前記圧電層を支持する補助電極層と、
前記圧電層に積層されると共に前記補助電極層に接続された第２電極層と、を備え、
前記キャビティに対応する領域に位置する部分の前記圧電層は、前記圧電層の前記本体部の中心を通る２つの対称軸を持つような略対称の形状を成しており、
前記キャビティは、前記２つの対称軸を持つ対称形状を成していることを特徴する圧電装置。
【請求項４】
前記２つの対称軸は互いに直交していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の圧電装置。
【請求項５】
前記第１電極層と前記補助電極層との間には両電極層同士の絶縁状態を確保するための絶縁用空隙が形成されており、前記絶縁用空隙は前記キャビティの周縁に対応する位置を外して形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の圧電装置。
【請求項６】
前記絶縁用空隙はその全体が前記キャビティに対応する領域の中に位置していることを特徴とする請求項５記載の圧電装置。
【請求項７】
前記補助電極層は、前記キャビティの周縁に対応する位置を越えて前記キャビティに対応する領域の外側から内側に向けて突出する突出部を有することを特徴とする請求項６記載の圧電装置。
【請求項８】
前記補助電極層の前記突出部はその角が丸められていることを特徴とする請求項７記載の圧電装置。
【請求項９】
前記第１電極層は、前記キャビティに対応する領域の内側から、前記キャビティの周縁に対応する位置を越えて、前記補助電極層に向けて延びる延出部を有し、
前記絶縁用空隙は、前記第１電極層の前記延出部と前記補助電極層との間に形成されると共にその全体が前記キャビティに対応する領域の外側に位置していることを特徴とする請求項５記載の圧電装置。
【請求項１０】
前記基部は、前記２つの対称軸を持つ対称形状を成していることを特徴する請求項１乃至９のいずれか一項に記載の圧電装置。
【請求項１１】
インクジェット式記録装置に用いられるインクカートリッジにおいて、
インクを収容するインク容器と、
請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の圧電装置と、を備え、
前記圧電装置の前記キャビティがインクカートリッジ内のインクと接触可能に配置されていることを特徴とするインクカートリッジ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電装置及びこの圧電装置を備えたインクカートリッジに係わり、特に、液体検出に用いられる圧電装置及びこの圧電装置を備えたインクカートリッジに関する。
【背景技術】
【０００２】
インクジェット式記録装置においては、圧力発生室を加圧する圧力発生手段と、加圧されたインクをインク滴として射出するノズル開口と、を有するインクジェット記録ヘッドがキャリッジに搭載されている。
【０００３】
インクジェット式記録装置では、インクタンク（インク容器）内のインクが流路を介して記録ヘッドに供給され続けることにより、印刷を継続可能に構成されている。インクタンクは、例えばインクが消費された時点でユーザが簡単に交換できる、着脱可能なカートリッジとして構成されている。
【０００４】
従来、インクカートリッジのインク消費の管理方法としては、記録ヘッドでのインク滴の射出数やメンテナンスにより吸引されたインク量をソフトウエアにより積算してインク消費を計算により管理する方法や、インクカートリッジに液面検出用の電極を取付けることにより実際にインクが所定量消費された時点を管理する方法などがある。
【０００５】
しかしながら、ソフトウェアによりインク滴の吐出数やインク量を積算してインク消費を計算上管理する方法には、次のような問題がある。ヘッドの中には吐出インク滴に重量バラツキを有するものがある。このインク滴の重量バラツキは画質には影響を与えないが、バラツキによるインク消費量の誤差が累積した場合を考慮して、マージンを持たせた量のインクをインクカートリッジに充填してある。従って、個体によってはマージン分だけインクが余るという問題が生ずる。
【０００６】
一方、電極によりインクが消費された時点を管理する方法は、インクの実量を検出できる。このため、インク残量を高い信頼性で管理できる。しかしながら、インクの液面の検出をインクの導電性に頼るので、検出可能なインクの種類が限定されたり、電極のシール構造が複雑化し得る。また、電極の材料としては、通常は導電性が良く耐腐食性も高い貴金属が使用されるので、インクカートリッジの製造コストがかさむ。さらに、２本の電極を装着する必要があるため、製造工程が多くなり、結果として製造コストがかさんでしまう。
【０００７】
上記の課題を解決すべく、特願２０００−１４７０５２号には、液体残量を正確に検出でき、かつ複雑なシール構造を不要とした、液体容器に装着される圧電装置が記載されている。
【０００８】
上述した特許出願に係る技術によれば、圧電装置の振動部に対向する空間にインクが存在する場合とインクが存在しない場合とで、圧電装置の振動部の残留振動に起因して発生する残留振動信号の共振周波数が変化することを利用して、インクカートリッジ内のインク残量を監視することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
図１９及び図２０は、従来の技術における圧電装置を示した図である。この圧電装置は、基板２０１に振動板２０２を積層して構成された基部２００を有し、この基部２００には、検出対象の媒体を受け入れるためのキャビティ２０３が形成されている。基部２００の両端には下部電極端子２０４及び上部電極端子２０５が形成されている。さらに、基部２００の中央部には、下部電極端子２０４に接続された下部電極層２０６が形成され、この下部電極層２０６の上に圧電層２０７が積層され、この圧電層２０７の上に上部電極層２０８が積層されている。
【００１０】
また、基部２００上には補助電極層２０９が形成されており、この補助電極層２０９は、上部電極層２０８と上部電極端子２０５とを電気的に接続すると共に、その一部が振動板２０２と圧電層２０７との間に位置して圧電層２０７の延出部２１０を下方から支持している。このように補助電極層２０９によって圧電層２０７の延出部２１０を支持することにより、延出部２１０に階段状の部分が発生することを防止している。
【００１１】
また、図２０から分かるように、補助電極層２０９はキャビティ２０３に対応する領域の外側に位置するようにして形成されている。これは、キャビティ２０３に対応する領域にある振動板２０２、圧電層２０７等が圧電装置の振動部を構成するので、この振動部の領域を外して補助電極層２０９を形成することにより圧電装置の振動特性の劣化を防止するためである。
【００１２】
ところが、上述した従来の圧電装置においては、圧電装置を駆動してその振動部を振動させると、図２０の矢視Ａの位置において圧電層２０７及び上部電極層２０８にクラックが発生しやすいという問題があった。
【００１３】
クラック発生の原因は以下のように考えられる。すなわち、図２０に示したように下部電極層２０６と補助電極層２０９との間には、両者の絶縁状態を確保するための空隙２１１が形成されており、この空隙２１１が、キャビティ２０３の周縁２０３ａに対応する位置を含むようにして形成されている。このため、圧電装置の駆動により圧電装置の振動部が振動する際に、キャビティ２０３の周縁２０３ａに対応する位置において圧電層２０７に応力集中が発生し、これがクラック発生の原因になっているものと考えられる。
【００１４】
また、図１９から分かるように従来の圧電装置においては、キャビティ２０３に対応する領域にあって振動部を構成する圧電層２０７、下部電極層２０６、及び上部電極層２０８が、全体として非対称の形状を成している。このため、圧電装置の振動部における質量バランスが悪くなり、振動部の振動特性が劣化するという問題があった。
【００１５】
本発明は、上述した事情を考慮して成されたものであって、振動部の振動特性を向上させることができる圧電装置を提供することを目的とする。また、本発明は、圧電層等におけるクラックの発生を防止することができる圧電装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記課題を解決するために、本発明による圧電装置は、互いに対向する第１面及び第２面を有する基部であって、検出対象の媒体を受け入れるためのキャビティが、前記第１面側に開口するようにして形成され、前記キャビティの底面部が振動可能に形成されている基部と、前記基部の前記第２面側に形成された第１電極層と、前記第１電極層に積層され、前記キャビティに対応する領域の中に形成された本体部を有する圧電層と、前記基部の前記第２面側に形成され、少なくとも一部が前記第２面と前記圧電層との間に位置して前記圧電層を支持する補助電極層と、前記圧電層に積層されると共に前記補助電極層に接続された第２電極層と、を備え、前記キャビティに対応する領域に位置する部分の前記第１電極層、前記第２電極層、及び前記補助電極層は、全体として、前記圧電層の前記本体部の中心を通る２つの対称軸を持つような略対称の形状を成しており、前記キャビティは、前記２つの対称軸を持つ対称形状を成していることを特徴する。
【００１７】
また、好ましくは、前記キャビティに対応する領域に位置する部分の前記圧電層は、前記２つの対称軸を持つような略対称の形状を成している。
【００１８】
上記課題を解決するために、本発明による圧電装置は、互いに対向する第１面及び第２面を有する基部であって、検出対象の媒体を受け入れるためのキャビティが、前記第１面側に開口するようにして形成され、前記キャビティの底面部が振動可能に形成されている基部と、前記基部の前記第２面側に形成された第１電極層と、前記第１電極層に積層され、前記キャビティに対応する領域の中に形成された本体部を有する圧電層と、前記基部の前記第２面側に形成され、少なくとも一部が前記第２面と前記圧電層との間に位置して前記圧電層を支持する補助電極層と、前記圧電層に積層されると共に前記補助電極層に接続された第２電極層と、を備え、前記キャビティに対応する領域に位置する部分の前記圧電層は、前記圧電層の前記本体部の中心を通る２つの対称軸を持つような略対称の形状を成しており、前記キャビティは、前記２つの対称軸を持つ対称形状を成していることを特徴する。
【００１９】
また、好ましくは、前記２つの対称軸は互いに直交している。
【００２０】
また、好ましくは、前記第１電極層と前記補助電極層との間には両電極層同士の絶縁状態を確保するための絶縁用空隙が形成されており、前記絶縁用空隙は前記キャビティの周縁に対応する位置を外して形成されている。
【００２１】
また、好ましくは、前記絶縁用空隙はその全体が前記キャビティに対応する領域の中に位置している。
【００２２】
また、好ましくは、前記補助電極層は、前記キャビティの周縁に対応する位置を越えて前記キャビティに対応する領域の外側から内側に向けて突出する突出部を有する。
【００２３】
また、好ましくは、前記補助電極層の前記突出部はその角が丸められている。
【００２４】
また、好ましくは、前記第１電極層は、前記キャビティに対応する領域の内側から、前記キャビティの周縁に対応する位置を越えて、前記補助電極層に向けて延びる延出部を有し、前記絶縁用空隙は、前記第１電極層の前記延出部と前記補助電極層との間に形成されると共にその全体が前記キャビティに対応する領域の外側に位置している。
【００２５】
また、好ましくは、前記基部は、前記２つの対称軸を持つ対称形状を成している。
【００２６】
上記課題を解決するために、本発明は、インクジェット式記録装置に用いられるインクカートリッジにおいて、インクを収容するインク容器と、上記いずれかの圧電装置と、を備え、前記圧電装置の前記キャビティがインクカートリッジ内のインクと接触可能に配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、キャビティに対応する領域に位置する部分の第１電極層、第２電極層、及び補助電極層を、全体として、圧電層の本体部の中心を通る２つの対称軸を持つような略対称の形状を成すように形成したので、圧電装置の振動特性を向上させることができる。
【００２８】
本発明によれば、キャビティに対応する領域に位置する部分の圧電層を、圧電層の本体部の中心を通る２つの対称軸を持つような略対称の形状を成すように形成したので、圧電装置の振動特性を向上させることができる。
【００２９】
本発明によれば、第１電極層と補助電極層との間に形成される絶縁用空隙を、キャビティの周縁に対応する位置を外して形成するようにしたので、圧電装置の駆動によってその振動部を振動させた際に、キャビティの周縁に対応する位置において圧電層に発生する応力集中を大幅に抑制することができる。このため、圧電層及び上部電極層におけるクラックの発生を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の一実施形態による圧電装置及びこの圧電装置を備えたインクカートリッジついて図面を参照して説明する。  
図１中符号１はキャリッジであり、このキャリッジ１はキャリッジモータ２により駆動されるタイミングベルト３を介し、ガイド部材４に案内されてプラテン５の軸方向に往復移動されるように構成されている。
【００３１】
キャリッジ１の記録用紙６に対向する側にはインクジェット式記録ヘッドが搭載され、またその上部には記録ヘッドにインクを供給するインクカートリッジ７が着脱可能に装着されている。
【００３２】
この記録装置の非印字領域であるホームポジション(図中、右側)にはキャップ部材３１が配置されており、このキャップ部材３１はキャリッジ１に搭載された記録ヘッドがホームポジションに移動した時に、記録ヘッドのノズル形成面に押し当てられてノズル形成面との間に密閉空間を形成するように構成されている。そして、キャップ部材３１の下方には、キャップ部材３１により形成された密閉空間に負圧を与えてクリーニング等を実施するためのポンプユニット１０が配置されている。
【００３３】
そして、キャップ部材３１における印字領域側の近傍には、ゴムなどの弾性板を備えたワイピング手段１１が記録ヘッドの移動軌跡に対して例えば水平方向に進退できるように配置されていて、キャリッジ１がキャップ部材３１側に往復移動するに際して、必要に応じて記録ヘッドのノズル形成面を払拭することができるように構成されている。
【００３４】
図２及び図３は、本実施形態による圧電装置を示した図であり、この圧電装置６０は、基板４１に振動板４２を積層して構成された基部４０を有し、この基部４０は、互いに対向する第１面４０ａ及び第２面４０ｂを有する。基部４０には、検出対象の媒体を受け入れるための円形のキャビティ４３が、第１面４０ａ側に開口するようにして形成されており、キャビティ４３の底面部４３ｂが振動板４２にて振動可能に形成されている。基部４０の第２面４０ｂ側の両端には下部電極端子４４及び上部電極端子４５が形成されている。
【００３５】
基部４０の第２面４０ｂには下部電極層（第１電極層）４６が形成されており、この下部電極層４６は、キャビティ４３に対応する領域の中に形成された本体部４６ａと、この本体部４６ａからキャビティ４３の周縁４３ａに対応する位置を越えて延びる延出部４６ｂと、を有する。下部電極層４６の本体部４６ａは円形を成しており、その中心はキャビティ４３の中心とほぼ一致している。下部電極層４６の本体部４６ａはキャビティ４３よりも小径に構成されている。
【００３６】
下部電極層４６の上には圧電層４７が積層されており、この圧電層４７は、キャビティ４３に対応する領域の中に形成された本体部４７ａと、この本体部４７ａからキャビティ４３の周縁４３ａに対応する位置を越えて延びる延出部４７ｂと、を有する。圧電層４７の本体部４７ａは円形を成しており、その中心はキャビティ４３の中心とほぼ一致している。圧電層４７の本体部４７ａは、キャビティ４３よりも小径に、且つ、下部電極層４６の本体部４６ａよりも大径に形成されている。
【００３７】
基部４０の第２面４０ｂ側には補助電極層４８が形成されており、この補助電極層４８は、好ましくは、下部電極層４６と同じ材質で且つ同じ厚さである。補助電極層４８の一部が第２面４０ｂと圧電層４７の延出部４７ｂとの間に位置しており、圧電層４７の延出部４７ｂを下方から支持している。このように補助電極層４８の一部によって圧電層４７の延出部４７ｂを支持することによって、圧電層４７に段差が生じることを防止している。
【００３８】
圧電層４７には上部電極層（第２電極層）４９が積層されており、この上部電極層４９は、圧電層４７の本体部４７ａ上に形成された本体部４９ａと、この本体部４９ａからキャビティ４３の周縁４３ａに対応する位置を越えて延びる延出部４９ｂと、を有する。上部電極層４９の延出部４９ｂは補助電極層４８に接続されており、補助電極層４８を介して上部電極層４９と上部電極端子４５とが電気的に接続されている。このように補助電極層４８を介して上部電極層４９を上部電極端子４５に接続することによって、圧電層４７及び下部電極層４６の合計の厚さから生じる段差を、上部電極層４９と補助電極層４８との両方によって吸収することができる。このため、上部電極層４９に大きな段差が生じて機械的強度が低下することを防止することができる。
【００３９】
上部電極層４９の本体部４９ａは円形を成しており、その中心はキャビティ４３の中心とほぼ一致している。上部電極層４９の本体部４９ａは、圧電層４７の本体部４７ａ及びキャビティ４３よりも小径に、且つ、下部電極層４６の本体部４６ａよりも大径に形成されている。
【００４０】
このように、圧電層４７の本体部４７ａは、上部電極層４９の本体部４９ａと下部電極層４６の本体部４６ａとによって挟みこまれる構造となっている。これにより、圧電層４７は効果的に変形駆動され得る。
【００４１】
上述のように、上部電極層４９の本体部４９ａ、圧電層４７の本体部４７ａ、下部電極層４６の本体部４６ａおよびキャビティ４３のうちで、面積が最も大きいのはキャビティ４３である。このような構造のために、振動板４２のうち実際に振動する振動領域は、キャビティ４３によって決定される。
【００４２】
また、上部電極層４９の本体部４９ａ、圧電層４７の本体部４７ａおよび下部電極層４６の本体部４６ａの各面積が、キャビティ４３の面積より小さいことにより、振動板４２がより振動しやすくなっている。
【００４３】
さらに、圧電層４７と電気的に接続された下部電極層４６の本体部４６ａおよび上部電極層４９の本体部４９ａのうち、下部電極層４６の本体部４６ａの方が小さい。従って、下部電極層４６の本体部４６ａが、圧電層４７のうちで圧電効果を発生する部分を決定する。
【００４４】
圧電層４７の本体部４７ａ、上部電極層４９の本体部４９ａ、及び下部電極層４６の本体部４６ａは、それらの中心が、キャビティ４３の中心とほぼ一致している。また、振動板４２の振動部分を決定する円形状のキャビティ４３の中心は、圧電装置６０の全体のほぼ中心に位置している。したがって、圧電装置６０の振動部の中心は、圧電装置６０の中心とほぼ一致する。
【００４５】
更に、圧電層４７の本体部４７ａ、上部電極層４９の本体部４９ａ、下部電極層４６の本体部４６ａ、及び振動板４２の振動部分が円形形状を有するので、圧電装置６０の振動部は、圧電装置６０の中心に対して対称な形状である。このように圧電装置６０の振動部が、圧電装置６０の中心に対して対称な形状であるので、構造の非対称性から生じ得る不要な振動を励起することがない。このため、共振周波数の検出精度が向上する。
【００４６】
また、圧電装置６０の振動部が等方的な形状であるので、圧電装置６０を接着する際に固定のばらつきの影響を受けにくく、インク容器に均等に接着され得る。すなわち、圧電装置６０のインク容器への実装性がよい。
【００４７】
更に、振動板４２のコンプライアンスが大きいので、振動の減衰が小さくなり、共振周波数の検出の精度が向上できる。
【００４８】
圧電装置６０に含まれる部材は、互いに焼成されることによって一体的に形成されていることが好ましい。圧電装置６０を一体的に形成することによって、圧電装置６０の取り扱いが容易になる。
【００４９】
さらに、基板４１の強度を高めることによって、振動特性が向上し得る。即ち、基板４１の強度を高めることによって、圧電装置６０の振動部のみが振動し、圧電装置６０のうち振動部以外の部分が振動しないようになる。また、振動部の振動を大きくするためには、基板４１の強度を高めることに加えて、圧電装置６０の圧電層４７、上部電極層４９、及び下部電極層４６を薄くかつ小さくすると共に、振動板４１を薄くすることが有効である。
【００５０】
圧電層４７の材料としては、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（ＰＬＺＴ）、または、鉛を使用しない鉛レス圧電膜、を用いることが好ましい。基板４１の材料としては、ジルコニアまたはアルミナを用いることが好ましい。また、振動板４２には、基板４１と同じ材料を用いることが好ましい。上部電極層４９、下部電極層４６、上部電極端子４５および下部電極端子４４は、導電性を有する材料、例えば、金、銀、銅、プラチナ、アルミニウム、ニッケルなどの金属を用いることができる。
【００５１】
図３に示したように、下部電極層４６と補助電極層４８との間には絶縁用空隙５０が形成されている。そして、この絶縁用空隙５０は、キャビティ４３の周縁４３ａに対応する位置を外して形成されており、より具体的には、絶縁用空隙５０はその全体がキャビティ４３に対応する領域の中に位置するようにして形成されている。
【００５２】
このように、絶縁用空隙５０の全体をキャビティ４３に対応する領域の中に位置させることによって、圧電装置６０の駆動によってその振動部を振動させた際に、キャビティ４３の周縁４３ａに対応する位置において圧電層４７に発生する応力集中を大幅に抑制することができる。このため、圧電層４７及び上部電極層４９におけるクラックの発生を防止することができる。
【００５３】
また、補助電極層４８は、キャビティ４３の周縁４３ａに対応する位置を越えて、キャビティ４３に対応する領域の外側から内側に向けて突出する突出部４８ａを有しており、この突出部４８ａはその角が丸められている。
【００５４】
このように補助電極層４８の突出部４８ａの角を丸めることによって、補助電極層４８のエッジ部分における圧電層４７のクラックの発生を防止することができる。さらに、補助電極層４８の形成時に位置ずれが発生する場合を考慮すると、補助電極層４８の突出部４８ａに角が存在すると、形成時の位置ずれによって突出部４８ａの角がキャビティ４３に対応する領域の内側に入ったり外側に外れたりする。このため、圧電装置６０ごとの振動特性にバラツキが生じてしまう恐れがある。これに対して、本実施形態のように補助電極層４８の突出部４８ａの角を丸めることによって、補助電極層４８の形成時の位置ずれに起因する振動特性のバラツキを大幅に抑制することができる。
【００５５】
図４は、本実施形態において用いられる圧電装置６０およびその等価回路を示す。この圧電装置６０は、残留振動による共振周波数を検出することで音響インピーダンスの変化を検知して、インクカートリッジ内の液体の消費状態を検出するものである。
【００５６】
図４（Ａ)および図４（Ｂ)は、圧電装置６０の等価回路を示す。また、図４（Ｃ)および図４（Ｄ)は、それぞれインクカートリッジ内にインクが満たされているときの圧電装置６０を含む周辺およびその等価回路を示し、図４（Ｅ)および図４（Ｆ)は、それぞれインクカートリッジ内にインクが無いときの圧電装置６０を含む周辺およびその等価回路を示す。
【００５７】
図２乃至図４に示される圧電装置６０は、インクカートリッジ７のインク容器の所定の場所に、キャビティ４３がインク容器内に収容される液体（インク）と接触するように装着される。つまり、圧電装置６０の振動部の少なくとも一部が、インク容器の収容空間に露出している。インク容器に液体が十分に収容されている場合には、キャビティ４３内およびその外側は液体によって満たされている。
【００５８】
一方、インク容器の液体が消費され、圧電装置の装着位置以下まで液面が降下すると、キャビティ４３内に液体が存在しない状態となる、あるいは、キャビティ４３内にのみ液体が残存されその外側には気体が存在する状態となる。
【００５９】
圧電装置６０は、この状態の変化に起因する音響インピーダンスの相違を検出する。それによって、圧電装置６０は、インク容器に液体が十分に収容されている状態であるか、あるいは、ある一定以上の液体が消費された状態であるか、を検知することができる。
【００６０】
次に、圧電装置による液面検出の原理について説明する。  
圧電装置６０は、液体の音響インピーダンスの変化を共振周波数の変化を用いて検出することができる。共振周波数は、圧電装置の振動部が振動した後に振動部に残留する残留振動によって生ずる逆起電力を測定することによって検出することができる。すなわち、圧電装置６０の圧電層４７は、圧電装置６０の振動部に残留する残留振動により逆起電力を発生する。逆起電力の大きさは、圧電装置６０の振動部の振幅によって変化する。従って、圧電装置６０の振動部の振幅が大きいほど、検出が容易である。
【００６１】
また、圧電装置６０の振動部における残留振動の周波数によって、逆起電力の大きさが変化する周期が変わる。すなわち、圧電装置６０の振動部の周波数は、逆起電力の周波数に対応する。ここで、共振周波数は、圧電装置６０の振動部と振動部に接する媒体との共振状態における周波数をいう。
【００６２】
圧電装置６０の振動領域は、振動板４２のうちのキャビティ４３に対応する部分である。インク容器内に液体が充分に収容されている場合には、キャビティ４３内には、液体が満たされ、振動領域はインク容器内の液体と接触している。一方で、インク容器内に液体が充分にない場合には、振動領域はインク容器内のキャビティ４３に残った液体と接するか、あるいは、液体と接触せず、気体または真空と接触する。
【００６３】
ここで、図２乃至図４を参照しながら、逆起電力の測定により得られる媒体と圧電装置６０の振動部との共振周波数から、インク容器内の液体の状態を検出する動作および原理について説明する。
【００６４】
圧電装置６０において、上部電極端子４５および下部電極端子４４を介して、それぞれ上部電極層４９および下部電極層４６に電圧を印加する。すると、圧電層４７のうち、上部電極層４９および下部電極層４６に挟まれた部分に電界が生じる。この電界によって、圧電層４７は変形する。圧電層４７が変形することによって、振動板４２のうちの振動領域がたわみ振動する。圧電層４７が変形した後しばらくは、たわみ振動が圧電装置６０の振動部に残留する。
【００６５】
残留振動は、圧電装置６０の振動部と媒体との自由振動である。従って、圧電層４７に印加する電圧をパルス波形あるいは矩形波とすることで、電圧を印加した後の振動部と媒体との共振状態を容易に得ることができる。残留振動は、圧電装置６０の振動部の振動であり、圧電層４７の変形を伴う。このため、圧電層４７は逆起電力を発生する。この逆起電力は、上部電極層４９、下部電極層４６、上部電極端子４５および下部電極端子４４を介して検出される。検出された逆起電力によって、共振周波数が特定できる。この共振周波数に基いて、インク容器内の液体の有無を検出することができる。
【００６６】
一般に、共振周波数ｆｓは、
ｆｓ＝１／（２＊π＊(Ｍ＊Ｃact)1/2）                （式１）
で表される。ここで、Ｍは振動部のイナータンスＭactと付加イナータンスＭ’との和である。Ｃactは振動部のコンプライアンスである。
【００６７】
図４（Ａ)および図４（Ｂ)は、キャビティ４３にインクが残存していないときの圧電装置６０の振動部およびキャビティ４３の等価回路である。
【００６８】
Ｍactは、振動部の厚さと振動部の密度との積を振動部の面積で除したものであり、詳細には、図４（Ａ)に示すように、
Ｍact＝Ｍpzt＋Ｍelectrode1＋Ｍelectrode2＋Ｍvib        （式２）
と表される。
【００６９】
ここで、Ｍpztは、振動部における圧電層４７の厚さと圧電層４７の密度との積を圧電層４７の面積で除したものである。Ｍelectrode1は、振動部における上部電極層４９の厚さと上部電極層４９の密度との積を上部電極層４９の面積で除したものである。Ｍelectrode2は、振動部における下部電極層４６の厚さと下部電極層４６の密度との積を下部電極層４６の面積で除したものである。Ｍvibは、振動部における振動板４２の厚さと振動板４２の密度との積を振動板４２の振動領域の面積で除したものである。
【００７０】
ただし、Ｍactを振動部全体としての厚さ、密度および面積から算出することができるように、圧電層４７、上部電極層４９、下部電極層４６および振動板４２の振動領域のそれぞれの面積は、上述のような大小関係を有するものの、相互の面積の差は微小であることが好ましい。
【００７１】
また、本実施形態において、圧電層４７、上部電極層４９および下部電極層４６においては、それらの主要部である円形の本体部４７ａ、４９ａ、４６ａ以外の部分は、主要部に対して無視できるほど微小であることが好ましい。従って、圧電装置６０において、Ｍactは、上部電極層４９、下部電極層４６、圧電層４７および振動板４２のうちの振動領域のそれぞれのイナータンスの和である。また、コンプライアンスＣactは、上部電極層４９、下部電極層４６、圧電層４７および振動板４２のうちの振動領域によって形成される部分のコンプライアンスである。
【００７２】
尚、図４（Ａ)、（Ｂ)、（Ｄ)、（Ｆ)は、圧電装置６０の振動部およびキャビティ４３の等価回路を示すが、これらの等価回路において、Ｃactは圧電装置６０の振動部のコンプライアンスを示す。Ｃpzt、Ｃelectrode1、Ｃelectrode2およびＣvibは、それぞれ、振動部における圧電層４７、上部電極層４９、下部電極層４６および振動板４２のコンプライアンスを示す。Ｃactは、以下の式３で表される。  
1/Ｃact＝（1/Ｃpzt）＋（1/Ｃelectrode1）＋（1/Ｃelectrode2）
＋（1/Ｃvib）                              （式３）
式２および式３より、図４（Ａ)は、図４（Ｂ)のように表すこともできる。
【００７３】
コンプライアンスＣactは、単位面積に圧力をかけたときの変形によって受容できる媒体の体積を表す。すなわち、コンプライアンスＣactは、変形のし易さを表す。
【００７４】
図４（Ｃ)は、インク容器に液体が十分に収容され、圧電装置６０の振動領域の周辺に液体が満たされている場合の圧電装置６０の断面図を示す。図４（Ｃ)のＭ’maxは、インク容器に液体が十分に収容され、圧電装置６０の振動領域の周辺に液体が満たされている場合の付加イナータンス（付加質量（振動領域の振動に影響を及ぼす質量）を面積の２乗で除したもの）の最大値を表す。Ｍ’maxは、
Ｍ’max＝(π*ρ/(2*k3))*(2*(2*k*a)3/(3*π))/(π*a2)2    （式４）
（ａは振動部の半径、ρは媒体の密度、ｋは波数である。）
で表される。
【００７５】
尚、式４は、圧電装置６０の振動領域が半径ａの円形である場合に成立する。付加イナータンスＭ’は、振動部の付近にある媒体によって、振動部の質量が見かけ上増加していることを示す量である。式４からわかるように、Ｍ’maxは、振動部の半径ａと媒体の密度ρとによって、大きく変化する。
【００７６】
波数k は、
ｋ＝２＊π＊ｆact／ｃ          （式５）
（ｆactは、振動部の共振周波数である。ｃは、媒体中を伝播する音響の速度である。）
で表される。
【００７７】
図４（Ｄ)は、インク容器に液体が十分に収容され、圧電装置６０の振動領域の周辺に液体が満たされている図４（Ｃ)の場合の圧電装置６０の振動部およびキャビティ４３の等価回路を示す。
【００７８】
図４（Ｅ)は、インク容器の液体が消費され、圧電装置６０の振動領域の周辺に液体が無いものの、圧電装置６０のキャビティ４３内には液体が残存している場合の圧電装置６０の断面図を示す。
【００７９】
式４は、インク容器に液体が満たされている場合に、インクの密度ρなどから決定される最大のイナータンスＭ’maxを表す式である。一方、インク容器内の液体が消費され、キャビティ４３内に液体が残留しつつ圧電装置６０の振動領域の周辺にある液体が気体または真空に置換された場合等の付加イナータンスＭ’は、一般的に、
Ｍ’＝ρ*ｔ/Ｓ          （式６）  
と表せる（より詳しくは、後述の式８参照）。ここで、ｔは振動にかかわる媒体の厚さである。Ｓは、圧電装置６０の振動領域の面積である。振動領域が半径ａの円形の場合は、Ｓ＝π*ａ２である。
【００８０】
従って、付加イナータンスＭ’は、インク容器に液体が十分に収容され、圧電装置６０の振動領域の周辺に液体が満たされている場合には、式４に従う。一方で、液体が消費され、キャビティ４３内に液体が残留しつつ圧電装置６０の振動領域の周辺にある液体が気体または真空に置換された場合には、式６に従う。
【００８１】
ここで、図４（Ｅ)のように、インク容器の液体が消費され、圧電装置６０の振動領域の周辺に液体が無いものの、圧電装置６０のキャビティ４３内には液体が残存している場合の付加イナータンスＭ’を、便宜的にＭ’cavとし、圧電装置６０の振動領域の周辺に液体が満たされている場合の付加イナータンスＭ’maxと区別する。
【００８２】
図４（Ｆ)は、インク容器の液体が消費され、圧電装置６０の振動領域の周辺に液体が無いものの、圧電装置６０のキャビティ４３内には液体が残存している図４（Ｅ)の場合の圧電装置６０の振動部およびキャビティ４３の等価回路を示す。
【００８３】
ここで、媒体の状態に関係するパラメータは、式６において、媒体の密度ρおよび媒体の厚さｔである。インク容器内に液体が充分に収容されている場合は、圧電装置６０の振動部に液体が接触する。一方、インク容器内に液体が充分に収容されていない場合は、キャビティ４３内部に液体が残存するか、もしくは、圧電装置６０の振動部に気体または真空が接触する。圧電装置６０の周辺の液体が消費され、図４（Ｃ)のＭ’maxから図４（Ｅ)のＭ’cavへ移行する過程における付加イナータンスＭ’varは、インク容器内の液体の収容状態によって媒体の密度ρや媒体の厚さｔが変化することに伴って変化する。これにより、共振周波数ｆｓも変化する。従って、共振周波数ｆｓを特定することによって、インク容器内の液体の量を検出することができる。
【００８４】
ここで、図４（Ｅ）に示すようにｔ＝ｄとした場合、式６を用いてＭ’cavを表すと、式６のｔにキャビティの深さｄを代入し、
Ｍ’cav＝ρ*ｄ/Ｓ              （式７）
となる。
【００８５】
また、媒体が互いに種類の異なる液体であれば、組成の違いによって密度ρが異なるため、付加イナータンスＭ´及び共振周波数ｆｓが異なる。従って、共振周波数ｆｓを特定することで、液体の種類を検出できる。
【００８６】
図５（Ａ）は、インクタンク内のインクの量とインクおよび振動部の共振周波数ｆｓとの関係を示すグラフである。ここでは液体の１例としてインクについて説明する。縦軸は、共振周波数ｆｓを示し、横軸は、インク量を示す。インク組成が一定であるとき、インク残量の低下に伴い、共振周波数ｆｓは、上昇する。
【００８７】
インク容器にインクが十分に収容され、圧電装置６０の振動領域の周辺にインクが満たされている場合には、その最大付加イナータンスＭ’maxは、式４に表わされる値となる。一方で、インクが消費され、キャビティ４３内にインクが残留しつつ圧電装置６０の振動領域の周辺にインクが満たされていないときには、付加イナータンスＭ’var は、媒体の厚さｔに基づいて式６によって算出される。式６中のｔは、振動にかかわる媒体の厚さであるから、インクが残留する圧電装置６０のキャビティ４３の深さｄを小さく、即ち、基板４１の厚さを十分に薄くすることによって、インクが徐々に消費されていく過程を検出することもできる（図４（Ｃ)参照）。ここで、ｔinkは振動にかかわるインクの厚さとし、ｔink−maxはＭ’maxにおけるｔinkとする。
【００８８】
例えば、圧電装置６０は、インクカートリッジの底面にインクの液面に対してほぼ水平に配置される。この場合、インクが消費され、インクの液面が圧電装置６０からｔink-maxの高さ以下になると、式６によりＭ’varが徐々に変化し、式１により共振周波数ｆｓが徐々に変化する。従って、インクの液面がｔの範囲内にある限り、圧電装置６０はインクの消費状態を徐々に検出することができる。
【００８９】
あるいは、インクカートリッジの側壁に、圧電装置６０はインクの液面に対してほぼ垂直に配備され得る。この場合、インクが消費され、インクの液面が圧電装置６０の振動領域に達すると、水位の低下に伴い付加イナータンスＭ’が減少する。これにより、式１により共振周波数ｆｓが徐々に増加する。従って、インクの液面がキャビティ４３の直径２ａ（図４（Ｃ)参照）の範囲内にある限り、圧電装置６０はインクの消費状態を徐々に検出することができる。
【００９０】
図５(Ａ)の曲線Ｘは、底面に配置された圧電装置６０のキャビティ４３を十分に浅くした場合や、側壁に配置された圧電装置６０の振動領域を十分に大きくまたは長くした場合の、インクタンク内に収容されたインクの量とインクおよび振動部の共振周波数ｆｓとの関係を表わしている。インクタンク内のインクの量が減少するとともに、インクおよび振動部の共振周波数ｆｓが徐々に変化していく様子が理解できる。
【００９１】
より詳細には、インクが徐々に消費されていく過程を検出することができる場合とは、圧電装置６０の振動領域の周辺において、互いに密度が異なる液体と気体とがともに存在しかつ振動にかかわる場合である。インクが徐々に消費されていくに従って、圧電装置６０の振動領域周辺において振動にかかわる媒体は、液体が減少する一方で気体が増加する。
【００９２】
例えば、圧電装置６０をインクの液面に対して水平に配備した場合であって、ｔink がｔink−maxより小さいときには、圧電装置６０の振動にかかわる媒体はインクと気体との両方を含む。したがって、圧電装置６０の振動領域の面積Ｓを用いて、式４のＭ’max以下になった状態をインクと気体の付加質量で表すと、
Ｍ’＝Ｍ’air＋Ｍ’ink＝ ρair*ｔair/Ｓ+ρink*ｔink/Ｓ    （式８）
となる。ここで、Ｍ’airは空気のイナータンスであり、Ｍ’inkはインクのイナータンスである。ρairは空気の密度であり、ρinkはインクの密度である。ｔairは振動にかかわる空気の厚さであり、ｔinkは振動にかかわるインクの厚さである。
【００９３】
圧電装置６０の振動領域周辺における振動にかかわる媒体のうち、液体が減少して気体が増加するに従い、圧電装置６０がインクの液面に対しほぼ水平に配備されている場合には、ｔairが増加し、ｔinkが減少する。それによって、Ｍ’varが徐々に減少し、共振周波数が徐々に増加する。よって、インクタンク内に残存しているインクの量またはインクの消費量を検出することができる。尚、式７において液体の密度のみの式となっているのは、液体の密度に対して、空気の密度が無視できるほど小さい場合を想定しているからである。
【００９４】
圧電装置６０がインクの液面に対しほぼ垂直に配備されている場合には、圧電装置６０の振動領域のうち、圧電装置６０の振動にかかわる媒体がインクのみの領域と、圧電装置６０の振動にかかわる媒体が気体のみの領域との並列の等価回路（図示せず）と考えられる。圧電装置６０の振動にかかわる媒体がインクのみの領域の面積をＳinkとし、圧電装置６０の振動にかかわる媒体が気体のみの領域の面積をＳairとすると、
1/Ｍ’＝1/Ｍ’air＋1/Ｍ’ink＝Ｓair/(ρair*ｔair)+Ｓink/(ρink*ｔink)
（式９）
となる。
【００９５】
尚、式９は、圧電装置６０のキャビティ４３にインクが保持されない場合に適用される。圧電装置６０のキャビティ４３にインクが保持される場合の付加イナータンスについては、式９によるＭ’と式７のＭ’cav との和によって計算することができる。
【００９６】
圧電装置６０の振動は、ｔink−maxの深さからインクの残留する深さｄまで変化するので、インクの残留する深さがｔink−maxよりわずかに小さい程度で圧電装置６０が底面に配置されている場合には、インクが徐々に減少する過程を検出することは出来ない。この場合、ｔink−maxから残留する深さｄまでのわずかなインク量変化における圧電装置の振動変化から、インク量が変化したことを検出する。また、側面に配置され、キャビティ４３の径が小さい場合は、キャビティ４３を通過する間の圧電装置６０の振動変化は微量なので、通過過程のインク量を検出することは難しく、インク液面がキャビティ４３より上か下かを検出する。
【００９７】
例えば、図５(Ａ)の曲線Ｙは、小さい円形の振動領域の場合におけるインクタンク内のインクの量とインクおよび振動部の共振周波数ｆｓとの関係を示す。インクタンク内のインクの液面が圧電装置６０の装着位置を通過する前後におけるインク量の差Ｑの間で、インクおよび振動部の共振周波数ｆｓが激しく変化している様子が示される。このことから、インクタンク内にインクが所定量残存しているか否かを２値的に検出することができる。
【００９８】
圧電装置６０を用いて液体の有無を検出する方法は、振動板４２が液体と直接接触することでインクの有無を検出するので、インクの消費量をソフトウェアによって計算する方法に比べ、検出精度が高い。更に、電極を用いて導電性によりインクの有無を検出する方法は、インク容器への電極の取付位置及びインクの種類によって影響され得るが、圧電装置６０を用いて液体の有無を検出する方法は、インク容器への圧電装置６０の取付位置及びインクの種類によって影響され難い。
【００９９】
更に、単一の圧電装置６０を用いて発振と液体の有無の検出との双方を実施することができるので、発振と液体の有無の検出とを異なったセンサを用いて実施する方法と比較して、インク容器に取付けるセンサの数を減少することができる。したがって、液量検出機能を持つインク容器を安価に製造できる。なお、圧電層４７の振動周波数を非可聴領域に設定することで、圧電装置６０の動作中に発生する音を静かにすることが好ましい。
【０１００】
図５（Ｂ）は、インクの密度とインクおよび振動部の共振周波数ｆｓとの関係の一例を示す。ここでは、液体の例としてインクについて説明しており、「インク満」と「インク空」（或いは「インク無し」）とは相対的な２状態を意味し、いわゆるインクフル状態とインクエンド状態とを意味するものではない。図５（Ｂ）に示すように、インク密度が高い場合、付加イナータンスが大きくなるので共振周波数ｆｓが低下する。すなわち、インクの種類によって共振周波数ｆｓが異なる。したがって、共振周波数ｆｓを測定することによって、インクを再充填する際に、密度の異なったインクが混入されていないか確認することができる。つまり、互いに種類の異なるインクを収容するインクタンクを識別できる。
【０１０１】
続いて、インク容器内の液体が空の状態であっても圧電装置６０のキャビティ４３内に液体が残存するようにキャビティ４３のサイズと形状を設定した時において、液体の状態を正確に検出できる条件を詳述する。圧電装置６０は、キャビティ４３内に液体が満たされている場合に液体の状態を検出できれば、キャビティ４３内に液体が満たされていない場合であっても液体の状態を検出できる。
【０１０２】
共振周波数ｆｓは、イナータンスＭの関数である。イナータンスＭは、振動部のイナータンスＭactと付加イナータンスＭ’との和である。ここで、付加イナータンスＭ’が液体の状態と関係する。付加イナータンスＭ’は、振動部の付近にある媒体によって振動部の質量が見かけ上増加していることを示す量である。即ち、振動部の振動によって見かけ上媒体を吸収する（振動に関わるイナータンスが増加する）ことによる振動部の質量の増加分をいう。
【０１０３】
従って、Ｍ’cav が式４におけるＭ’max よりも大きい場合には、見かけ上吸収する媒体は全てキャビティ４３内に残存する液体である。よって、インク容器内に液体が満たされている状態と同じである。この場合、振動に関わる媒体はＭ’max よりも小さくならないので、インクが消費されても変化を検出することが出来ない。
【０１０４】
一方、Ｍ’cavが式４におけるＭ’ maxよりも小さい場合には、見かけ上吸収する媒体はキャビティ４３内に残存する液体およびインク容器内の気体または真空である。このときにはインク容器内に液体が満たされている状態とは異なりＭ’が変化するので、共振周波数ｆｓが変化する。従って、圧電装置６０は、インク容器内の液体の状態を検出できる。
【０１０５】
即ち、インク容器内の液体が空の状態で、圧電装置６０のキャビティ４３内に液体が残存する場合に、圧電装置６０が液体の状態を正確に検出できる条件は、Ｍ’cavがＭ’maxよりも小さいことである。尚、圧電装置６０が液体の状態を正確に検出できる条件Ｍ’max＞Ｍ’cavは、キャビティ４３の形状にかかわらない。
【０１０６】
ここで、Ｍ’cav は、キャビティ４３の容量とほぼ等しい容量の液体の質量イナータンスである。従って、Ｍ’max ＞Ｍ’cav の不等式から、圧電装置６０が液体の状態を正確に検出できる条件は、キャビティ４３の容量の条件として表すことができる。例えば、円形状のキャビティ４３の半径をaとし、およびキャビティ４３の深さをｄとすると、
Ｍ’max＞ρ＊ｄ／πａ２      （式１０）
である。式１０を展開すると
ａ／ｄ＞３＊π／８      （式１１）
という条件が求められる。従って、式１１を満たす開口１６１の半径aおよびキャビティ４３の深さｄであるキャビティ４３を有する圧電装置６０であれば、インク容器内の液体が空の状態であって、かつ、キャビティ４３内に液体が残存する場合であっても、誤作動することなく液体の状態を検出できる。
【０１０７】
尚、式１０、式１１は、キャビティ４３の形状が円形の場合に限り成立する。キャビティ４３の形状が円形でない場合、対応するＭ’maxの式を用い、式１０中のπａ２  をその面積と置き換えて計算すれば、キャビティ４３の幅および長さ等のディメンジョンと深さの関係が導き出せる。
【０１０８】
なお、付加イナータンスＭ’は音響インピーダンス特性にも影響するので、残留振動により圧電装置６０に発生する逆起電力を測定する方法は、少なくとも音響インピーダンスの変化を検出しているともいえる。
【０１０９】
図６(Ａ) および図６（Ｂ）は、圧電装置６０に駆動信号を供給して振動部を振動させた後の、圧電装置６０の残留振動の波形と残留振動の測定方法とを示す。インクカートリッジ内の圧電装置６０の装着位置レベルにおけるインク液位の上下は、圧電装置６０が発振した後の残留振動の周波数変化や、振幅の変化によって検出することができる。図６(Ａ) および図６（Ｂ）において、縦軸は圧電装置６０の残留振動によって発生した逆起電力の電圧を示し、横軸は時間を示す。圧電装置６０の残留振動によって、図６(Ａ) および図６（Ｂ）に示すように電圧のアナログ信号の波形が発生する。次に、アナログ信号を、信号の周波数に対応するデジタル数値に変換（二値化）する。図６(Ａ)および図６（Ｂ）に示した例においては、アナログ信号の４パルス目から８パルス目までの４個のパルスが生じる時間を計測している。
【０１１０】
より詳細には、圧電装置６０が発振した後、予め設定された所定の基準電圧を低電圧側から高電圧側へ横切る回数をカウントする。そして、４カウントから８カウントまでの間をＨｉｇｈとしたデジタル信号を生成し、所定のクロックパルスによって４カウントから８カウントまでの時間を計測する。
【０１１１】
図６（Ａ）は、圧電装置６０の装着位置レベルよりも上位にインク液面があるときの波形である。一方、図６（Ｂ）は圧電装置６０の装着位置レベルにおいてインクが無いときの波形である。図６（Ａ）と図６（Ｂ）とを比較すると、図６（Ａ）の方が図６（Ｂ）よりも４カウントから８カウントまでの時間が長いことがわかる。換言すると、インクの有無によって４カウントから８カウントまでの所要時間が異なる。この所要時間の相違を利用して、インクの消費状態を検出することができる。
【０１１２】
アナログ波形の４カウント目から数えるのは、圧電装置６０の振動が安定してから計測をはじめるためである。４カウント目からとしたのは単なる一例であって、任意のカウントから数えてもよい。ここでは、４カウント目から８カウント目までの信号を検出し、所定のクロックパルスによって４カウント目から８カウント目までの時間を測定している。この時間に基いて、共振周波数を求めることができる。クロックパルスは、８カウント目までの時間を測定する必要は無く、任意のカウントまで数えてもよい。図６においては、４カウント目から８カウント目までの時間を測定しているが、周波数を検出する回路構成にしたがって、異なったカウント間隔内の時間を検出してもよい。
【０１１３】
例えば、インクの品質が安定していてピークの振幅の変動が小さい場合には、検出の速度を上げるために４カウント目から６カウント目までの時間を検出することにより共振周波数を求めてもよい。また、インクの品質が不安定でパルスの振幅の変動が大きい場合には、残留振動を正確に検出するために４カウント目から１２カウント目までの時間を検出してもよい。
【０１１４】
図７は、圧電装置６０を取付モジュール体１００として一体形成した構成を示す斜視図である。モジュール体１００は、インクカートリッジのインク容器の所定個所に装着される。モジュール体１００は、インク容器内の媒体の少なくとも音響インピーダンスの変化を検出することにより、インク容器内の液体の消費状態を検知するように構成されている。
【０１１５】
本実施形態のモジュール体１００は、インク容器に圧電装置６０を取り付けるためのインク容器取付部１０１を有する。インク容器取付部１０１は、平面がほぼ矩形の基台１０２と、駆動信号により発振する圧電装置６０を収容する基台１０２上の円柱部１１６と、を有している。また、モジュール体１００は、インクカートリッジに装着されたときに、モジュール体１００の圧電装置６０が外部から接触できないように構成されている。これにより、圧電装置６０を外部の接触から保護することができる。なお、円柱部１１６の先端側エッジは丸みが付けられていて、インクカートリッジに形成された孔へ装着する際に嵌めやすくなっている。
【０１１６】
図８は、図７に示したモジュール体１００の分解図である。モジュール体１００は、樹脂からなるインク容器取付部１０１と、プレート１１０および凹部１１３を有する圧電装置装着部１０５（図７参照）とを含む。さらに、モジュール体１００は、リードワイヤ１０４ａ及び１０４ｂ、圧電装置６０及びフィルム１０８を有する。好ましくは、プレート１１０は、ステンレス又はステンレス合金等の錆びにくい材料から形成される。
【０１１７】
インク容器取付部１０１に含まれる円柱部１１６および基台１０２は、リードワイヤ１０４ａ及び１０４ｂを収容できるように中心部に開口部１１４が形成されると共に、圧電装置６０、フィルム１０８、及びプレート１１０を収容できるように開口部１１４の周囲に凹部１１３が形成されている。
【０１１８】
圧電装置６０は、プレート１１０にフィルム１０８を介して接合され、プレート１１０および圧電装置６０は凹部１１３（インク容器取付部１０１）に固定される。従って、リードワイヤ１０４ａ及び１０４ｂ、圧電装置６０、フィルム１０８及びプレート１１０は、インク容器取付部１０１に一体として取り付けられる。
【０１１９】
リードワイヤ１０４ａ及び１０４ｂは、それぞれ圧電装置６０の上部電極端子４５及び下部電極端子４４と結合して、圧電層４７に駆動信号を伝達する一方、圧電装置６０が検出した共振周波数の信号を記録装置等へ伝達する。
【０１２０】
圧電装置６０は、リードワイヤ１０４ａ及び１０４ｂから伝達された駆動信号に基づいて、一時的に発振する。また、圧電装置６０は、発振後に残留振動し、その振動によって逆起電力を発生させる。このとき、逆起電力波形の振動周期を検出することによって、インク容器内の液体の消費状態に対応した共振周波数を検出することができる。
【０１２１】
フィルム１０８は、圧電装置６０とプレート１１０とを接着して、圧電装置６０を液密にする。フィルム１０８は、ポリオレフィン等によって形成し、熱融着で接着することが好ましい。圧電装置６０とプレート１１０とをフィルム１０８によって面状に接着して固定することにより、接着の場所によるばらつきが無くなり、振動部以外の部分が振動しない。したがって、圧電装置６０をプレート１１０に接着しても、圧電装置６０の振動特性は変化しない。
【０１２２】
なお、プレート１１０は円形状であり、基台１０２の開口部１１４は円筒状に形成されている。圧電装置６０及びフィルム１０８は矩形状に形成されている。リードワイヤ１０４ａ及び１０４ｂ、圧電装置６０、フィルム１０８及びプレート１１０は、基台１０２に対して着脱可能としてもよい。基台１０２、リードワイヤ１０４ａ及び１０４ｂ、圧電装置６０、フィルム１０８及びプレート１１０は、モジュール体１００の中心軸に対して対称に配置されている。また、基台１０２、圧電装置６０、フィルム１０８及びプレート１１０の中心は、モジュール体１００のほぼ中心軸上に配置されている。
【０１２３】
また、基台１０２の開口部１１４の面積は、圧電装置６０の振動領域の面積よりも大きく形成されている。プレート１１０の中心で圧電装置６０の振動部に直面する位置には、貫通孔１１２が形成されている。図２乃至図４に示したように、圧電装置６０にはキャビティ４３が形成されており、貫通孔１１２とキャビティ４３とが、共にインク溜部を形成する。プレート１１０の厚さは、残留インクの影響を少なくするために、貫通孔１１２の径に比べて小さいことが好ましい。例えば、貫通孔１１２の深さはその径の３分の１以下の大きさであることが好ましい。貫通孔１１２は、モジュール体１００の中心軸に対して対称なほぼ真円の形状である。また、貫通孔１１２の面積は、圧電装置６０のキャビティ４３の開口面積よりも大きい。貫通孔１１２の断面の周縁は、テーパ形状であっても良いし、ステップ形状であってもよい。
【０１２４】
モジュール体１００は、貫通孔１１２がインク容器の内側へ向くように、インク容器の側部、上部又は底部に装着される。インクが消費され、圧電装置６０周辺のインクがなくなると、圧電装置６０の共振周波数が大きく変化することに基づいて、インクの液位変化を検出することができる。
【０１２５】
図９は、図７に示したモジュール体１００を、インクカートリッジ７のインク容器２０に装着したときの、インク容器２０の底部近傍の断面図である。モジュール体１００は、インク容器２０の側壁に形成された貫通孔に装着されている。インク容器２０の側壁とモジュール体１００との接合面には、Ｏリング９０が設けられ、モジュール体１００とインク容器２０との液密を保っている。このようにＯリング９０でシールが出来るために、モジュール体１００は、図７で説明したような円柱部を備えることが好ましい。
【０１２６】
モジュール体１００の先端がインク容器２０のインク収容空間２０ａに露出することで、プレート１１０の貫通孔１１２を介して、インク容器２０内のインクが圧電装置６０と接触する。圧電装置６０の振動部の周囲が液体か気体かによって、圧電装置６０の残留振動の共振周波数が異なるので、モジュール体１００を用いてインクの消費状態を検出することができる。
【０１２７】
次に、図２及び図３に示した実施形態の変形例として、図１０に示したように、補助電極層４８の突出部４８ａを、圧電層４７の延出部４７ｂよりも幅狭に形成しても良い。
【０１２８】
このようにすれば、キャビティ４３に対応する領域に重なる部分の補助電極層４８の面積が小さくなるので、圧電装置６０の振動特性を向上させることができる。また、補助電極層４８を形成する材料の必要量を減らすことができるので、製造コストを低減することもできる。
【０１２９】
また、他の変形例としては、図１１に示したように、補助電極層４８の突出部４８ａを、圧電層４７の延出部４７ｂよりも幅広に形成することもできる。これにより、キャビティ４３の周縁部分を補強することができる。
【０１３０】
さらに、他の変形例としては、図１２乃至図１４に示したように、下部電極層４６、上部電極層４９、及び補助電極層４８を、全体として、圧電層４７の本体部４７ａの中心を通る対称軸Ｏ１、Ｏ２を持つような略対称の形状に形成することができる。このように圧電装置６０を構成する複数の部材を全体として対称形状に配置することにより、圧電装置６０の振動特性を向上させることができる。とりわけ、キャビティ４３に対応する領域に位置する部分の下部電極層４６、上部電極層４９、及び補助電極層４８を全体として対称形状にすることにより、圧電装置６０の振動特性が向上する。
【０１３１】
次に、本発明の他の実施形態による圧電装置について図１５を参照して説明する。なお、以下では、図２及び図３に示した上記実施形態と異なる部分について説明する。
【０１３２】
図１５に示したように本実施形態による圧電装置７０においては、下部電極層４６が、キャビティ４３に対応する領域の中に位置する円形の本体部４６ａから、キャビティ４３の周縁４３ａに対応する位置を越えて、補助電極層４８に向けて延びる延出部４６ｃを有している。一方、補助電極層４８は、その全体が、キャビティ４３に対応する領域の外側に形成されている。そして、絶縁用空隙５０は、下部電極層４６の延出部４６ｃと補助電極層４８との間に形成されており、絶縁用空隙５０の全体がキャビティ４３に対応する領域の外側に位置している。
【０１３３】
このように絶縁用空隙５０の全体をキャビティ４３に対応する領域の外側に位置させることによって、圧電装置７０の駆動によってその振動部を振動させた際に、キャビティ４３の周縁４３ａに対応する位置において圧電層４７に発生する応力集中を大幅に抑制することができる。このため、圧電層４７及び上部電極層４９におけるクラックの発生を防止することができる。
【０１３４】
図１５に示した実施形態の変形例としては、図１６に示したように、下部電極層４６、上部電極層４９、及び補助電極層４８を、全体として、圧電層４７の本体部４７ａの中心を通る対称軸Ｏ１、Ｏ２を持つような略対称の形状に形成することができる。このように圧電装置７０を構成する複数の部材を全体として対称形状に配置することにより、圧電装置７０の振動特性を向上させることができる。とりわけ、キャビティ４３に対応する領域に位置する部分の下部電極層４６、上部電極層４９、及び補助電極層４８を全体として対称形状にすることにより、圧電装置７０の振動特性が向上する。
【０１３５】
特に、本変形例においては、絶縁用空隙５０をキャビティ４３に対応する領域の外側に位置させているので、キャビティ４３に対応する領域に位置する部分の下部電極層４６、上部電極層４９、及び補助電極層４８の全体としての対称性が高まり、ひいては振動特性のさらなる向上を図ることができる。
【０１３６】
次に、本発明の他の実施形態としては、上述した各実施形態及び各変形例において、キャビティ４３に対応する領域に位置する部分の圧電層４７の形状を、圧電層４７の本体部４７ａの中心を通る少なくとも１つの対称軸を持つような略対称の形状とすることができる。より好ましくは、キャビティ４３に対応する領域に位置する部分の圧電層４７の形状を、圧電層４７の延出部４７ｂの延出方向に沿って延びる第１対称軸Ｏ１と、第１対称軸Ｏ１に直交する第２対称軸Ｏ２とを持つような略対称の形状にする。
【０１３７】
図１７は、図１４に示した上記例においてその圧電層４７の形状を変更した例であり、図１８は、図１６に示した上記例においてその圧電層４７の形状を変更した例を示している。
【０１３８】
図１７及び図１８に示した例においては、圧電層４７、下部電極層４６、上部電極層４９、及び補助電極層４８を、全体として、圧電層４７の本体部４７ａの中心を通る対称軸Ｏ１、Ｏ２を持つような略対称の形状に形成している。このように圧電装置６０を構成する複数の部材を全体として対称形状に配置することにより、圧電装置６０の振動特性を向上させることができる。とりわけ、キャビティ４３に対応する領域に位置する部分の圧電層４７、下部電極層４６、上部電極層４９、及び補助電極層４８を全体として対称形状にすることにより、圧電装置６０の振動特性が向上する。
【０１３９】
特に、圧電層４７は、下部電極層４６、上部電極層４９、及び補助電極層４８に比べて比較的大きな質量を有しているので、圧電層４７を対称形状にすることにより振動特性を大幅に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０１４０】
【図１】本発明の一実施形態によるインクカートリッジが使用されるインクジェット式記録装置の概略構成を示した斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態における圧電装置を示す図である。
【図３】図２に示した圧電装置の一部を拡大して示した断面図である。
【図４】図２及び図３に示した圧電装置の周辺およびその等価回路を示す図である。
【図５】図２及び図３に示した圧電装置によって検出されるインクの共振周波数とインクの密度との関係を示す図である。
【図６】図２及び図３に示した圧電装置の逆起電力波形を示す図である。
【図７】図２及び図３に示した圧電装置を組み込んだモジュール体を示す斜視図である。
【図８】図７に示したモジュール体の構成を示す分解図である。
【図９】図７に示したモジュール体をインクカートリッジのインク容器に装着した断面の例を示す図である。
【図１０】図２及び図３に示した実施形態の一変形例による圧電装置を示した図である。
【図１１】図２及び図３に示した実施形態の他の変形例による圧電装置を示した図である。
【図１２】図２及び図３に示した実施形態の他の変形例による圧電装置を示した図である。
【図１３】図２及び図３に示した実施形態の他の変形例による圧電装置を示した図である。
【図１４】図２及び図３に示した実施形態の他の変形例による圧電装置を示した図である。
【図１５】本発明の他の実施形態による圧電装置を示した図である。
【図１６】図１５に示した実施形態の一変形例による圧電装置を示した図である。
【図１７】本発明の他の実施形態による圧電装置の一好適例を示した図である。
【図１８】本発明の他の実施形態による圧電装置の他の好適例を示した図である。
【図１９】従来の圧電装置を示した図である。
【図２０】図１９に示した従来の圧電装置の一部を拡大して示した断面図である。
【符号の説明】
【０１４１】
７  インクカートリッジ
２０  インク容器
４６  下部電極層
４６ａ  下部電極層の本体部
４６ｂ  下部電極層の延出部
４７  圧電層
４７ａ  圧電層の本体部
４７ｂ  圧電層の延出部
４８  補助電極層
４８ａ  補助電極層の突出部
４９  上部電極層
４９ａ  上部電極層の本体部
４９ｂ  上部電極層の延出部
６０、７０  圧電装置
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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