(57)【要約】【目的】球体の直径を高精度に測定することができる微小球測定方法を提供すること。【構成】移動する微小な球体の大きさと速度を測定する微小球測定方法において、透過照明手段と、液滴像をスリット上に結像するレンズと、測定対象の移動方向に対し直角なスリットが２つ並んであり、スリットそれぞれの開口を通った光が導かれる２つの光電変換素子と、検出される信号のパルス幅を計算する手段を設け、検出信号の定常値のレベルに対するパルス幅を求める閾値のレベルの比に基づいてパルス幅を球体の直径に換算することを特徴とする。【選択図】      図１
2005017019.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
移動する微小な球体の大きさと速度を測定する微小球測定方法において、
透過照明手段と、液滴像をスリット上に結像するレンズと、測定対象の移動方向に対し直角なスリットが２つ並んであり、スリットそれぞれの開口を通った光が導かれる２つの光電変換素子と、検出される信号のパルス幅を計算する手段を設け、検出信号の定常値のレベルに対するパルス幅を求める閾値のレベルの比に基づいてパルス幅を球体の直径に換算することを特徴とする微小球測定方法。
【請求項２】
検出信号のパルス幅を球体の直径に換算する対応データ表を持つことを特徴とする請求項１記載の微小球測定方法。
【請求項３】
インクジェットプリンタのノズルより吐出される微小インク滴を測定することを特徴とする請求項２記載の微小球測定方法。
【請求項４】
横に２つ並んだ光電面を有する光電変換素子を用いることを特徴とする請求項３記載の微小球測定方法。
【請求項５】
測定対象の移動方向に対し直角なスリットが２つ並んであり、両スリットを通った光を１個のセンサでどちらも受光することを特徴とする請求項３記載の微小球測定方法。
【請求項６】
背景光量に対し所定の割合だけ小さくした閾値を設定し、この閾値で切った２値画像の画素数から物体の面積を求めることを特徴とする画像処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インクジェットプリンタのノズルより吐出される微小インク滴の大きさと速度を測定する微小球測定方法及び画像処理方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
インクジェットプリンタは、ノズルより吐出されるインク滴を用いて文字や画像等の印字を行うものである。このインクジェットプリンタのノズルより吐出されるインク滴は、吐出される速度が安定ならば印字した画像のよれが小さく、又、吐出される液適量も安定ならば画像の濃度むらの小さい高品位印字が得られる。又、インク滴が小さいほど解像度が高く、粒状感も小さくなることから、近年益々の小液滴化が進んでいる。
【０００３】
しかしながら、１発当たりの吐出量が小さくなるほど、安定したインク滴を吐出させることが困難になってきている。従来は吐出量や吐出速度等は複数回吐出した平均値で管理していれば問題なかったが、より高品位な性能を達成するためには１滴ずつのばらつきが印字画像に与える影響も無視できなくなっている。そのため、インクの全滴の吐出速度、吐出量をリアルタイムに測定しなければならなくなっている。
【０００４】
従来は、インクジェットプリンタのノズルより吐出される微小インク滴の大きさは、多数回の吐出を繰り返した前後でのインクヘッドの重量変化から１回の吐出当たりの重量を求めていた。又、他の分野ではあるが、粒子解析装置では側方散乱の強度から粒径を求める方法が提案されている（特許文献１）。他に、散乱光を受光し、ミー散乱の原理やレイリー散乱の原理や回折の原理から微粒子の粒径を求める方法が特許文献２にも示されている。又、特許文献３には散乱強度のパルス幅で液中微粒子と気泡を弁別する手法が示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭６１−３５３３５号公報
【特許文献２】
特開２００１−３３０５５１号公報
【特許文献３】
特開平６−３２３９８２号公報
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、多数回の吐出前後の重量変化では吐出量の平均値しか分からず、前述のような各吐出ごとの吐出量ばらつきは分からない。
【０００６】
又、側方散乱の受光では、インクジェットプリンタのインクの色ごとに反射率が変わってしまうため、インクごとに校正値を持たねばならず、煩雑である。又、直角に配置した投受光光学系の焦点を３次元的に１点に合わせなければならず、これも煩雑な作業であるという問題があった。
【０００７】
又、ミー散乱の原理やレイリー散乱の原理から液滴直径を求める方法では、測定精度を高くするためには多くの光検出器を回折光の半径方向に並べなければならず、装置が大型で高価になるという問題があった。
【０００８】
更に、散乱光のパルス幅を用いようとしても、寸法とパルス幅を理論的に対応をつけるのは原理的に困難である。それは、インク色の違いによりパルスの高さが変わることから、パルス幅を決める閾値がインク色ごとに異なってしまい、これも煩雑な校正作業が必要であるという問題があった。
【０００９】
本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、球体の直径を高精度に測定することができる微小球測定方法と物体の大きさを高精度に求めることができる画像処理方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため、請求項１記載の発明は、移動する微小な球体の大きさと速度を測定する微小球測定方法において、透過照明手段と、液滴像をスリット上に結像するレンズと、測定対象の移動方向に対し直角なスリットが２つ並んであり、スリットそれぞれの開口を通った光が導かれる２つの光電変換素子と、検出される信号のパルス幅を計算する手段を設け、検出信号の定常値のレベルに対するパルス幅を求める閾値のレベルの比に基づいてパルス幅を球体の直径に換算することを特徴とする。
【００１１】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、検出信号のパルス幅を球体の直径に換算する対応データ表を持つことを特徴とする請求項１記載の微小球測定方法。
【００１２】
請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明において、インクジェットプリンタのノズルより吐出される微小インク滴を測定することを特徴とする。
【００１３】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明において、横に２つ並んだ光電面を有する光電変換素子を用いることを特徴とする。
【００１４】
請求項５記載の発明は、請求項３記載の発明において、測定対象の移動方向に対し直角なスリットが２つ並んであり、両スリットを通った光を１個のセンサでどちらも受光することを特徴とする。
【００１５】
請求項６記載の発明は、背景光量に対し所定の割合だけ小さくした閾値を設定し、この閾値で切った２値画像の画素数から物体の面積を求めることを特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
【００１７】
＜実施の形態１＞
図１は本発明方法を実施するための装置の構成図であり、同図において、１はハロゲンランプ光源、２は光ファイバー、３は投光レンズ、４はワークに照射される光、５は測定対象である飛行中の液滴、６は受光レンズ、７２はスリットであり、ニの字型の開口部がある。１０はミラーであり、スリットを通った光をそれぞれのアバランシェホトダイオードセンサユニット８１，８２に送る。９１，９２は各センサの出力、１０１はアナログデジタル変換器、１０２は小型計算機である。
【００１８】
ハロゲンランプ１はＤＣ点灯とし、脈動の小さい光源を用いる方が測定精度が高い。又、光ファイバ２は太い方が明るいので、有効径φ１０ｍｍ程度の太さのものを用いる。インクジェットプリンタのヘッド５１から連続して吐出されるインク滴５は、ほぼ一直線上を飛行し、徐々に大気との摩擦で減速する。実際のプリンタでは吐出直後の高速のうちに紙面にインク滴が着弾する。
【００１９】
測定するインク滴を照明する光４の透過光を対物レンズ６で集光し、スリット７２に拡大投影する。ここでは、対物レンズの倍率を１０倍に選び、スリット７２の開口部の大きさを５０μｍ×５００μｍとし、２つの開口部のピッチは５００μｍにした。光学倍率を考慮すると、物体面では５μｍ×５０μｍの開口サイズに相当する。それぞれのスリットの開口を通った光は、プリズム表面に反射膜をつけたミラー１０で左右に広がるように折り曲げられ、それぞれアバランシェフォトダイオードとアンプを組み合わせた受光センサユニットに入射される。
【００２０】
後に説明するが、信号処理する過程で信号の直流成分が必要なので、光検出器やアンプ等は直流結合したユニットを使用する。そして、このスリットに液滴が影を落とすと、センサに入射する信号が減り、マイナス方向の電気信号パルスが得られる。この２チャンネル得られるパルス信号波形をＡＤ変換器１０１でデジタル信号に変換し、小型計算機１０２で液滴の速度と直径を計算する。得られた測定値は、連続した吐出に同期してメモリに格納され、図示しない画面上に表示させたり、図示しない外部記憶装置に保存したりできる。
【００２１】
小型計算機の内部は、図２のようなデータ処理構成になっている。
【００２２】
各入力チャンネルよりのデジタルデータは、それぞれ、暗値保持手段１１２、１２２により光源が消灯状態での暗信号レベルを保持する。
【００２３】
定常値保持手段１１１，１２１は、光源が定常点灯状態でのセンサ信号レベルを保持する。
【００２４】
ピーク値計算手段１１３，１２３は、インク滴がスリットを通過したときに発生するマイナス方向のパルスのピーク値を保持する。
【００２５】
そして、定常値保持手段と、暗値保持手段と、ピーク値計算手段で得られた値を用いて固定閾値計算手段１１４，１２４で閾値を算出する。このとき、例えばマイナス方向のパルスの振幅の１／２の値を閾値とする。この付近のレベルを閾値とするのは、ピントが若干ぼけた状態でもパルス幅の値が影響されにくいからである。この算出した閾値で切ったときのパルス幅をパルス幅計算手段１１５，１２５が計算する。
【００２６】
又、定常値保持手段で保持している値を１００％とした場合に、算出した固定閾値は何％に相当するレベルであるかという比率を固定閾値計算手段は同時に算出し、幅・直径対応メモリ１１６，１２６及び幅・直径変換手段１１７，１２７に送る。この比率ごとに、測定したパルス幅と液滴直径の関係式は異なる。
【００２７】
幅・直径変換手段は、対応メモリから読み出した所定の関係式を表す対応データに従って、測定したパルス幅を液滴直径に換算する。
【００２８】
又、同じ液滴の直径でも、液滴の速度によって測定されるパルスは変化するので、重心計算手段１１８，１２８により求めたパルス重心の時間差と、スリット開口のピッチ寸法から吐出速度計算手段は液滴の速度を計算して出力する。この速度の値を液滴直径の補正に用い、速度補正手段１２０によって最終的に直径の値として出力する。
【００２９】
ところで、検出されるパルス波形の形状と実際の液滴寸法との関係をほぼ近似的に計算することができる。その計算した結果が図３である。
【００３０】
図３（ａ）は、スリット形状５μｍ×５０μｍの開口で、光学倍率は１倍とし、このスリットを用い、直径１０μｍ〜２５μｍの液滴を測定したときの検出される信号波形の理論値を示している。同図で横軸は液滴の位置ｘであり、縦軸はその位置での検出信号電圧を相対値で示している。スリットの中心はｘ＝０の中央にあるとして計算している。光源が消灯状態では信号電圧がゼロ、液滴がスリットから遠く離れているときの定常値が１となるように規格化して示している。液滴は完全球形で、光の透過はないとして計算した。このように、直径１０μｍ〜２５μｍの範囲で、液滴が大きくなるほどマイナス方向のパルス信号のピーク値が大きくなり、又、パルス幅もそれに連れて大きくなっている様子が見て取れる。
【００３１】
実際のインクジェットプリンタでは、１ドット当たりのインク滴の大きさは、２０μｍ〜１０μｍ程度のものが主であり、これより大きいドットでは写真の印字等で粒状感が目立ってしまい印字品位が落ちる。又、これより小さい径の液滴は空気との摩擦による減速が大き過ぎ、ヘッドから出たインク滴が約１ｍｍ先の紙まで到達できない。このような物理的背景から、インクジェット用の液滴測定はほぼ直径１０μｍ〜２５μｍの範囲が測定できれば良い。そのため、液滴の直径に対し、信号のパルス幅や振幅ピークがほぼ直線上に乗る関係であるように測定条件を揃えることが容易になっている。
【００３２】
そこで、この範囲ではパルス信号の幅と振幅ピーク値は、何れも液滴の直径に対してほぼ直線の関係にあり、それの例を示したのが図３（ｂ）及び図３（ｃ）である。図３（ｂ）は定常値を１００％としたとき、９０％の閾値でパルス幅を計算したときの９０％パルス幅Ｗと液滴の直径Ｄとの関係を示している。又、図３（ｃ）はパルス信号のピーク値と液滴の直径Ｄとの関係を示している。スリットの幅に対し、液滴が１倍〜数倍まで位なら、可成り直線に良く乗る関係が得られる。
【００３３】
これらの直線関係式の係数は、スリットの形状だけでなく、幅の算出に使用した閾値が何％のレベルであったかということにも左右されるため、スリットの寸法や光学倍率ごとに、予め計算しておき、対応関係を幅・直径対応メモリ１１６，１２６に保存しておくことで、実際の測定時の演算負荷を軽減できる。
【００３４】
しかしながら、上述の計算では、インク滴は不透明と仮定したが、プリンタには各色のインクが使用されており、パルスのピーク値はインクの色により大きく変動する。そのため、ピーク値の大小を液滴の大小へ換算するには、使用しているインクの透過率の情報がどうしても必要であり、別途測定する必要があり煩雑である。又、パルスの半値幅を直径に換算しようといった場合であっても、半値幅を求める閾値自体がインク色により変動するため、パルス幅が正確に求められない。そこで、正確にパルス幅より液滴直径を求めるためには、もっと別のよりどころが閾値の決定に求められる。それが本発明の要点である。
【００３５】
それは検出信号の定常値のレベルに対する、パルス幅を求める閾値のレベルの比に基づいてパルス幅を球体の直径に換算する方法である。液滴の透過率が高い場合でも球の周辺部を通過した光は大きく屈折され、受光素子へは届かない。そのため、液滴像の周辺部ではインク色によらず、ほぼ真っ黒の像が得られることになる。これは測定対象が球であることによる特徴である。平板の円ではこのようにはならない。測定対象が球であることが重要である。
【００３６】
そして、この定常状態での信号レベルを基にした閾値と液滴直径の対応関係にはインク色の影響が殆どないことが分かった。ほぼ現状使用している黒インクから薄い黄色のインクまで、どのインクを用いても液滴のサイズが同様に安定して求められるようになる。
【００３７】
以上の原理に基づき、実際のインクジェットプリンタの吐出量の測定を行った結果の例が図４である。
【００３８】
図４（ａ）は検出したパルス信号の例である。時刻１０μｓ〜２０μｓにあるパルス波形が１滴目に通過した液滴の波形であり、時刻３０μｓ〜４０μｓにあるパルス波形が２滴目に通過した液滴の波形である。チャンネル１とチャンネル２との通過時刻の差が小さい１滴目の液滴は速度が大きく、２滴目は速度が小さいことが分かる。
【００３９】
しかし、パルス幅に関してはこの検出電圧波形のままでは分かりづらいので、液滴の直径が既知のインクジェットヘッド４種類に対して測定した結果を図４（ｂ）に示す。点線で示しているのが上述の原理から計算した測定される筈のパルス幅を示す理論値の直線であり、４つの点が測定値である。何れもほぼ直線状によく乗っており、本方式で液滴の大きさを測定するのが有効であることを良く示している。又、図示は省略するが、速度の測定結果も、本吐出量の測定結果も、１％以下の測定精度が簡単に達成できる測定手法である。
【００４０】
＜実施の形態２＞
図５は第２の実施の形態を示す図である。ここでは、受光素子として２分割ホトダイオード８３を用いている。スリットとプリズムで分割して別々の受光素子で検出するのに比べれば、受光部の寸法を任意に変更することがやりづらいものの、受光ユニットが大変安価にできるというメリットがある。受光し検出した信号の処理は、実施の形態１と同様に行える。
【００４１】
＜実施の形態３＞
図６は第３の実施の形態を示す図である。２本のスリット７を通った光を１つの受光器８で光電変換している。この場合に得られるパルス信号９は、図４（ａ）のＣｈ１とＣｈ２の信号を加算した波形となり、１滴の液滴の通過に対し、出力パルス波形が２つ現れる。これを１チャンネルの信号データとして小型計算機に取り込み、奇数番目のパルスと偶数番目のパルスとを対で信号処理することとすれば、容易に図２で示すような信号処理の方法で液滴直径を測定できることが分かる。
【００４２】
＜実施の形態４＞
又、図示しない実施の形態４では、吐出速度が一定していて既知であるか、又は別の手段、例えばドップシフトを用いた速度計等で速度を求めることができれば、図２の吐出速度計算手段が省略できるので、結果としてスリットが１本でも吐出量の測定が可能になる。そのときは処理は１チャンネルで行い、既知の吐出速度を速度補正手段１２０に入れることで液滴の直径が測定できる。
【００４３】
＜実施の形態５＞
又、図示しないが、実施の形態５では、画像処理にも本方法は適用できる。
【００４４】
透過照明で物体をシルエットで撮像しているときに、背景の輝度に対して所定の割合だけ小さくした閾値を設定し、撮影した画像をこの閾値で２値化すると、寸法に対し安定した２値画像が得られる。そこで、この２値像の面積から、物体の面積を求めることができる。この手法により、寸法に対して安定した２値画像が得られるのは上述の原理から明らかである。
【００４５】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように、本発明によれば、球である液滴の像の周辺部はインクの色に影響されにくいため、液滴像のパルス幅から球体の直径に換算することによって、高精度の測定ができる。
【００４６】
又、検出信号の定常値のレベルに対するパルス幅を求める閾値のレベルの比に基づいてパルス幅を球体の直径に換算することによって、更に高精度の測定ができる。
【００４７】
更に、検出信号のパルス幅を球体の直径に換算する対応データ表を持つことによって、測定時の演算処理の負荷を小さくすることができ、高速に測定することができる。
【００４８】
又、インクジェットプリンタのノズルより吐出される微小インク滴はほぼ球形と見なすことができる範囲の液滴であることから、高精度な測定ができる。
【００４９】
又、横に２つ並んだ光電面を持つ光電変換素子を用いるとセンサを安価に製造することができる。
【００５０】
更に、測定対象の移動方向に対し直角なスリットが２つ並んであり、両スリットを通った光を１個のセンサでどちらも受光するようにすると、センサ１個で済むために安価な装置構成となる。
【００５１】
又、背景光量に対し所定の割合だけ小さくした閾値を設定し、この閾値で切った２値画像の画素数から物体の面積を求めることを特徴とする画像処理は、パルス幅測定と基本的には同様な考え方から、物体の大きさを高精度に求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る測定方法を実施するための測定装置の構成図である。
【図２】本発明の処理信号の流れを示す図である。
【図３】検出パルスと微小球の大きさとの対応を示す原理図である。
【図４】実際の測定例を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態２に係る測定方法を実施するための測定装置の構成図である。
【図６】本発明の実施の形態３に係る測定方法を実施するための測定装置の構成図である。
【符号の説明】
１        ハロゲンランプ光源
２        光ファイバー
３        投光レンズ
４        ワークに照射される光
５        測定対象である飛行中の液滴
６        受光レンズ
７，７２      スリット
１０          ミラー
８，８１，８２  アバランシェホトダイオードセンサユニット
９１，９２      各センサの出力
１０１          アナログデジタル変換機
１０２          小型計算機
１１１，１２１  定常値保持手段
１１２，１２２  暗値保持手段
１１３，１２３  ピーク値計算手段
１１４，１２４  固定閾値計算手段
１１５，１２５  パルス幅計算手段
１１６，１２６  幅・直径対応メモリ
１１７，１２７  幅・直径変換手段
１１８，１２８  重心計算手段
１１９          吐出速度計算手段
１２０          速度補正手段
【図１】
2005017019.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2005017019.tif 000007
【図６】
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