(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光源と、該レーザ光源と直接対向して設けられ、プラスティックにより形成される非球面レンズからなり、該レーザ光源の光を集光する集光レンズと、該集光レンズの前記レーザ光源と反対側に、かつ、該集光レンズにより収束するビーム内にピンホールを有するように設けられるピンホール板と、該ピンホール板のピンホールを通過したビームの収束後のビームと対向して設けられる受光部とからなり、前記収束するビームの最小径の３倍以下である所定ビーム径の部分のビーム長Δｚ0が５０ｍｍ以上になるように、前記ピンホール板のピンホールの大きさ、ピンホール板の位置、前記レーザ光源の位置および前記集光レンズの焦点距離が調整され、かつ、前記ピンホールの大きさは０.４〜０.７ｍｍの範囲で、前記ピンホール板の位置は、前記集光レンズの後端面から、前記レーザ光源の像の位置と前記集光レンズの第２主点との距離ｓ"の１／５より小さい距離の近接した範囲で、ならびに、前記レーザ光源の位置および前記集光レンズの焦点距離は、前記レーザ光源の像の位置と、前記集光レンズの第２主点との距離ｓ"が、前記所定ビーム径のビーム長Δｚ0以上となるような範囲で、それぞれ調整されてなるインクジェットプリンタのインク滴を検出するレーザセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、とくにインクジェットプリンタのインク液滴を検出する場合に用いるセンサなどのように、レーザ光の細いビームにより飛翔微粒子、液滴などを検出し、またはカウントするレーザセンサに関する。さらに詳しくは、検出範囲の長い範囲に亘ってほぼ均一な径のレーザビームが得られ、安定した検出をすることができるレーザセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
たとえばインク液滴の検出などに用いられるセンサは、レーザ光源と受光素子とを対向させ、集光レンズなどにより、レーザビームを細いビームに絞ってそのビーム内に飛翔微粒子を遮断させることにより、受光素子による受光量の変化で、検出するように構成されている。この微粒子を通過させるレーザビームの径は、通常数十μｍφ程度である微粒子の径の１０倍程度以下になるように絞られることが望ましい。しかも、その絞られた細いビーム径の部分が長いことが、たとえばインクジェットプリンタのカートリッジの取付け精度による変化にも対応できる検出範囲を確保するため好ましい。従来のこの種のレーザビームによるセンサでは、（１）平行ビーム法、（２）平行ビームとピンホール法、（３）収束ビーム法の３種類の方法が用いられている。
【０００３】
（１）の平行ビーム法は、ガスレーザなどから出射されるレーザ光をそのまま使う方法が考えられる。ガスレーザから出射されるレーザ光のビーム直径は、ガスレーザの共振器長を短くすると小さくなる。しかし、ビーム直径を小さくすると、図１３に出射口でのビーム径に対する１００ｍｍ離れたところでのビーム径の関係が示されるように、ビームの発散性が大きくなり、レーザ出射光から離れたところで細いビームを得るには限界がある。
【０００４】
また、（２）の平行ビームとピンホール法は、平行ビームとピンホールを組み合せた光学系（収束レンズの焦点距離の位置にレーザ光源を置き、収束レンズから出る平行光線を利用するもので、所望のビーム径（直径）の大きさにしたピンホールがレンズの後ろに設けられるもの）で、ピンホールの径（直径）を小さくすることにより、ビーム径を小さくすることができる。しかし、図１４にピンホールの径に対するレンズから１００ｍｍの点でのビーム径の関係が示されるように、波長によりあるピンホール径以下では、回折による影響で急激にビーム径が大きくなる。したがって、細いビーム径で一定距離以上の長さに亘ってビーム径が一定のレーザビームを得にくい。
【０００５】
さらに、（３）の収束ビーム法は、レンズによりレーザ光を絞る方法であるが、この方法では、ｄ＝１.２２λ／ＮＡの式による最小スポットが得られる。したがって、レンズの開口数ＮＡを大きくすることにより、レーザ光の波長（λ）オーダまで絞り込める。しかし、この方式では、焦点深度＝λ／(ＮＡ)2を越すと、ビーム径は急激に大きくなり、図１５にレンズからの距離に対するビーム径の関係図が示されるように、ビームの位置（レンズからの距離）によりビーム径が大きく変化するため、粒子センサとしては、粒子検知の光量判定レベルを決めるのが非常に難しい。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、従来の方法では、いずれの方法でも、たとえば１００ｍｍ以上の長い範囲に亘って、細くて一定したビーム径のレーザビームを得ることができない。そのため、インクジェットプリンタのように、カートリッジを交換することにより滴下位置に多少の位置ずれが生じるような場合、常に一定のビーム径で一定の滴下量を把握しにくいという問題がある。
【０００７】
さらに、前述の従来方法では、いずれの場合も集光レンズの焦点距離により結像点であるビームの収束点が大きく変化するため、温度により屈折率が大きく変化するプラスティックなどを使用することができず、ガラスのような温度により屈折率が余り変化しない材料で形成される必要がある。しかし、ガラスによる非球面は、プラスティックによる非球面ほどの量産性がなく、非常に高価になるという問題がある。
【０００８】
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、検出場所が少々ずれても問題がないように、たとえば１００ｍｍ程度以上の比較的長い範囲に亘って細く一定の径のビームが得られるレーザセンサを提供することを目的とする。
【０００９】
本発明の他の目的は、集光レンズの焦点距離が少々変化しても、ビームが収束する細いビームの位置がそれほど変化しないで、プラスティックからなる非球面レンズを使用し得るレーザセンサを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、前述のような細いビーム径を１００ｍｍ程度以上の長い距離に亘って一定のビーム径を維持できるようなレーザセンサを得るため、鋭意検討を重ねた。その結果、集光レンズによりビームを収束させながら、その収束ビームの集光レンズ側に比較的大きいピンホールを設けることにより、細くなったビーム径が一定距離以上の長い範囲に亘って得られることを見出した。すなわち、通常ピンホールを設けるのは、収束ビームの収束点に設けるか、前述の（２）の方法に示されるように、平行ビームの全体または一部を透過させるように、平行ビーム内に設けられるのであるが、本発明では、集光レンズにより収束されるビーム内に一定の大きさのピンホールを設けることにより、収束された細いビームをそのまま一定の距離に亘って維持することができることを見出した。さらに鋭意検討を重ねた結果、ピンホール板の位置、集光レンズによる収束点の集光レンズからの距離に最適な範囲があり、これらを最適化することにより、より一層細いビームを長い範囲に亘って得られることを見出した。
【００１１】
本発明のレーザセンサは、レーザ光源と、該レーザ光源と直接対向して設けられ、プラスティックにより形成される非球面レンズからなり、該レーザ光源の光を集光する集光レンズと、該集光レンズの前記レーザ光源と反対側に、かつ、該集光レンズにより収束するビーム内にピンホールを有するように設けられるピンホール板と、該ピンホール板のピンホールを通過したビームの収束後のビームと対向して設けられる受光部とからなり、前記収束するビームの最小径の３倍以下である所定ビーム径の部分のビーム長Δｚ0が５０ｍｍ以上になるように、前記ピンホール板のピンホールの大きさ、ピンホール板の位置、前記レーザ光源の位置および前記集光レンズの焦点距離が調整され、かつ、前記ピンホールの大きさは０.４〜０.７ｍｍの範囲で、前記ピンホール板の位置は、前記集光レンズの後端面から、前記レーザ光源の像の位置と前記集光レンズの第２主点との距離ｓ"の１／５より小さい距離の近接した範囲で、ならびに、前記レーザ光源の位置および前記集光レンズの焦点距離は、前記レーザ光源の像の位置と、前記集光レンズの第２主点との距離ｓ"が、前記所定ビーム径のビーム長Δｚ0以上となるような範囲で、それぞれ調整されてなるインクジェットプリンタのインク滴を検出する構成になっている。
【００１２】
ここに集光レンズに近接してとは、収束ビームの収束点（結像点）の近傍ではなく、集光レンズに近い側を意味し、集光レンズと接していてもよく、できるだけ集光レンズに近い方が好ましい。また、ピンホールとは、光遮蔽板の一部に光を透過するように設けられた小孔を意味する。
【００１３】
この構成にすることにより、長い距離に亘って細いビームを維持することができ、前後の位置が完全には固定されない飛翔微粒子を、正確に検出することができるレーザセンサとなる。これは、ピンホールが集光レンズの後ろ側に近接して収束ビーム内に設けられることにより、ビーム径はピンホールの回折作用によって定まるため、細いビームを長く維持することができるものと考えられる。
【００１６】
前記構成になっていることにより、前記集光レンズがプラスティックからなる非球面レンズでも、細いビーム径を長い距離にわたって維持することができ、集光レンズの加工を容易で安価に形成することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明によるレーザセンサについて説明をする。本発明のレーザセンサは、その一実施形態の構成説明図が図１に示されるように、レーザ光源１と、そのレーザ光源１の光を集光する集光レンズ２と、その集光レンズ２の後ろ側（レーザ光源１と反対側）に近接して、かつ、集光レンズ２により収束する収束ビーム内にピンホール３ａを有するようにピンホール板３が設けられている。このピンホールを通過する収束ビームの収束後のビームと対向して受光部４が設けられることにより構成されている。そして、このピンホール板３に設けられるピンホール３ａの径が、０.４〜０.７ｍｍの大きさに形成されている。
【００１８】
レーザ光源１は、レーザダイオード（ＬＤ）などの半導体レーザでもよいし、Ｈｅ-Ｎｅレーザなどのガスレーザでもよい。また、レーザ光源１の波長は、一般的には、後述する受光部４としてシリコンからなる受光素子が用いられることが便利である点などの理由により、８００ｎｍ以下のものが好ましいが、とくに限定されない。後述する各種の検討には、波長が６５５ｎｍの半導体レーザを用いた。また、受光部４は、たとえば一旦広がったビームを絞り込むための非球面レンズからなる集光レンズと、そのビームの収束部に設けられる受光素子とからなっており、受光素子としては、シリコンなどからなるホトダイオード、ホトトランジスタなどを使用することができる。
【００１９】
集光レンズ２は、たとえばガラスレンズなどの組合せにより、口径がたとえば３〜１０ｍｍ程度の非球面レンズになるように形成されている。後述する各種の検討には、焦点距離が１０ｍｍのコリメートレンズを用い、集光レンズの後方に収束するようにレーザ光源１がその前方に配置されている。
【００２０】
ピンホール板３は、たとえばステンレススチールなどからなり、０.０１〜１ｍｍ程度の厚さのものに、後述するような種々の径のピンホール３ａが形成され、そのピンホール３ａが集光レンズの中心と一致するように集光レンズの後方に配置されている。
【００２１】
前述のように、本発明者は、飛翔微粒子の検出に適する細いビーム径を長い距離に亘って維持することができるレーザセンサを得るため鋭意検討を重ねた結果、集光レンズによりレーザ光源を収束させながら、その収束ビーム内で一定の径のピンホールを集光レンズに近接して設けることにより、細いビームを長い距離に亘って得られることを見出した。
【００２２】
すなわち、前述のように、レーザ光源１として、波長が６５５ｎｍの半導体レーザを用い、焦点距離が１０ｍｍのコリメートレンズ２の後方で、レンズから１００ｍｍの位置（厳密には集光レンズの第２主点からの距離）に光源の像を結ぶよう両者を設定した。そして、集光レンズの後方０.５ｍｍの位置に、ピンホールの径を０.３ｍｍから０.８ｍｍまで０.１ｍｍづつ変化させた０.５ｍｍの厚さのピンホール板３を順次配置し、ビームプロファイラー（ビーム径を測定する器具）によりビーム径を測定した。ビーム径は、ビーム中心強度を１００％とし、１３.５％の強度Ａおよび５０％の強度Ｂになるビームの直径を測定した。図２は、ピンホールの径が０.６ｍｍのときのデータである。図２で、レンズから１００ｍｍの位置（ピンホールなしで結像する点）を０として、それよりレンズ側を負（−）とし、レンズから離れる方向を正（＋）としている。
【００２３】
同様にピンホール径が０.３ｍｍと、０.８ｍｍの場合における同様の測定値を１３.５％強度Ａおよび５０％強度Ｂの両方で図３および４に示す。また、６種類のデータから、強度が１３.５％でのビーム径が最小値の３倍まで太くなる範囲（所定のビーム径が得られる範囲）をピンホール径に対してプロットすると、図５にＣで示されるようになる。すなわち、ピンホール径が０.４〜０.７ｍｍでは、その範囲が１００ｍｍ以上あるが、ピンホール径が０.３ｍｍおよび０.８ｍｍではその範囲が１００ｍｍより急激に小さくなる。図５には、各ピンホール径に対して、１３.５％の強度における、ビームの最小径がＤとしてプロットされているように、この最小径はいずれのピンホール径に対しても、１２０〜１３０μｍと細いビームが得られている。図５から明らかなように、ピンホール径が０.４〜０.７ｍｍのときに細くて長いビーム範囲が得られることが判明した。
【００２４】
つぎに、レーザ光源１と集光レンズ２は、前述と同じものを使用し、集光レンズ２の後方５０ｍｍの位置に焦点を結ぶようにレーザ光源１と集光レンズ２との間隔を調整した。そして、前述と同様に、集光レンズの後方０.５ｍｍの位置にピンホール板を配置し、そのピンホール径を変えた。その結果、ビーム径がほぼ一定の長さ（ビーム径が最小径の３倍の太さになるまでの長さ）は、５０ｍｍ弱と短くなるが、０.４ｍｍから０.７ｍｍまでの範囲で前述と同様に、ビーム径の細い範囲が長く得られ、良好な結果が得られた。この範囲の中心である０.５５ｍｍφのピンホールによる、前述と同様の測定データを図６に示す。この例で、ビーム径が３倍になるまでのビームの長さが５０ｍｍ弱と短くなる原因を鋭意検討して調べた結果、像を結ばせる位置に関係していることが判明した。すなわち、前述の図２〜４に示される例のように、集光レンズから像を結ばせる位置までの距離、すなわち、厳密には集光レンズの第２主点から像を結ぶ位置までの距離ｓ"が１００ｍｍのときは、ビーム径がほぼ一定（最小径の３倍までの径）の長さが１００ｍｍ程度得られ、５０ｍｍのときは、５０ｍｍ程度となる。換言すれば、必要とするビーム径がほぼ一定の距離をΔｚ0とすると、ｓ"≧Δｚ0にする必要があることが分る。
【００２５】
つぎに、ピンホール板３の位置による影響を調べた。すなわち、前述と同様の構成で、まず、光源の像を結ぶ位置ｓ"を５０ｍｍとして、ピンホール板の位置のみを０.５ｍｍから１０.５ｍｍ、２０.５ｍｍと遠ざけてビーム径を測定した。その結果、ピンホール板が集光レンズから離れるにしたがって、像を結ぶ位置（ｓ"＝５０ｍｍ）より集光レンズ側でのビーム径のボケが著しいことが判明した。像を結ぶ位置より集光レンズ側に１５ｍｍ（−１５ｍｍ）の位置でのピンホール板の位置に対するビーム径の変化を図７に１３.５％強度Ａと５０％強度Ｂの両方で示す。図７から１０ｍｍ（＝ｓ"／５）離れるとビーム径が大きくなって好ましくないことがわかる。
【００２６】
同様に、光源の像を結ぶ位置ｓ"＝１００ｍｍにして同様にピンホール板の位置による影響を調べた。この例では、像を結ぶ位置から集光レンズ側に４０ｍｍ（−４０ｍｍ）の位置でのビーム径の変化を調べ、その結果を図８に示す。その結果、１３.５％の強度Ａでのビーム径は、ピンホール板を集光レンズの近くに置くほどよく、集光レンズから離れるにしたがってボケが大きくなる。なお、５０％の強度Ｂでは、１０ｍｍ（＝ｓ"／１０）程度が最小になり、２０ｍｍ（＝ｓ"／５）程度になるとビームの広がりが顕著となる。すなわち、この結果からピンホール板の位置は、ｓ"／５より小さいことが好ましいことが分る。
【００２７】
本発明者は、前述のように、適当なピンホール径を有するピンホール板を所定の位置に置くことにより、レーザセンサとして必要な細いビーム径を１００ｍｍ程度以上の長さにすることができることを見出した。本発明者は、さらに鋭意検討を重ねた結果、このように集光レンズの後ろ側に近接して、しかも平行ビームではない収束ビーム内にピンホールを配置することにより、集光レンズの焦点距離が少々変動しても、同様に細いビームを長い距離にわたって得ることができることを見出し、集光レンズとしてプラスティックレンズを用いることが可能であることを見出した。
【００２８】
すなわち、従来のレーザビームによる計測器では、プラスティックレンズは、たとえばアクリルの温度による屈折率が表１に示されるように、温度の上昇と共にガラスの１０倍程度の割合で屈折率が低下するため、使用することができなかった。すなわち、屈折率が低下すると、焦点距離が長くなり、像を結ぶ位置が変動し、図１２に温度に対する像点のスポット径の関係が示されるように、像点のスポット径が温度により大きく変化する。なお、図１２においても、前述と同様に１３.５％の強度Ａと、５０％の強度Ｂの両方が示されている。
【００２９】
【表１】
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前述の本発明の構成において、集光レンズとして、アクリルにより焦点距離が１０ｍｍの非球面レンズを作り、前述と同様に波長が６５５ｎｍの半導体レーザをレーザ光源として、光軸上にセットし、集光レンズから５０ｍｍの位置に像を結ぶように集光レンズとレーザ光源の位置を調整した。その後、ピンホール径が０.５５ｍｍのピンホール板を集光レンズの後方（レーザ光源と反対側）０.５ｍｍの位置にセットし、室温２５℃で前述と同様に１３.５％の強度Ａと、５０％の強度Ｂとを調べて図９に示す。図９から明らかなように、集光レンズとしてガラスを用いたものとほぼ同様の結果が得られた。
【００３０】
さらに、同じ条件で系全体の温度を５０℃にして同様にビーム径を調べた。その結果を図１０に示す。なお、このときのレーザ光源の波長は６６０ｎｍであった。さらに、系全体を０℃にして同様にビーム径を調べた。その結果を図１１に示す。このときのレーザ光源の波長は６５０ｎｍであった。図９〜１１から明らかなように、０℃では１３.５％強度Ａで、ビーム径検出位置が２０ｍｍを超えると急激にビーム径が大きくなる傾向にあるが、ほぼ温度による影響は小さく、プラスティックレンズによっても充分に温度変化に対応することができることが判明した。
【００３１】
この理由はつぎのように考えられる。すなわち、ピンホールが集光レンズの後ろ側に近接して収束ビーム内に設けられることにより、ビーム径はピンホールの回折作用によって定まる。また、半導体レーザの場合でも、±２５℃の温度変化に対し、温度による波長の変化は±５ｎｍ（±０.８％）に過ぎず、円形開口による回折は波長に対し１次に依存することが知られており、回折作用の温度変化は小さい。そのため、ピンホール板が設けられることにより、その前面にあるプラスティックレンズの屈折率の温度変化による収束作用の変化を遮蔽し、ビーム形状に影響が殆ど現れないものと考えられる。
【００３２】
なお、前述の例では、プラスティックレンズとして、アクリルを用いたが、アクリル以外に、ポリカーボネート、ポリオレフィンなどを用いることもできる。また、これらのプラスティックを用いて前述の非球面レンズを作製するには、射出成形法などにより製造することができ、非常に精度よく量産性に優れた非球面レンズが簡単に得られる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、０.１ｍｍ台の細いビームが長さ１００ｍｍ以上の範囲に亘って得られ、数十μｍ台の微粒子の飛翔時における粒径測定などを非常に精密に行うことができる。その結果、空気中、液中の微粒子の粒径計測、飛翔の有無などの検知に非常に有効である。
【００３４】
さらに、本発明によれば、集光レンズにプラスティックを用いても温度変化による影響を殆ど受けることなく使用することができる。その結果、精密な非球面レンズを射出成形により非常に安価に作製することができ、しかもオートフォーカス機構を用いることなく、精密計測機器にプラスティックレンズを用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるレーザセンサの一実施形態の構成説明図である。
【図２】図１の構成で、ｓ"＝１００ｍｍ、ピンホール径が０.６ｍｍにおけるビーム径の変化を示す図である。
【図３】図１の構成で、ｓ"＝１００ｍｍ、ピンホール径が０.３ｍｍにおけるビーム径の変化を示す図である。
【図４】図１の構成で、ｓ"＝１００ｍｍ、ピンホール径が０.８ｍｍにおけるビーム径の変化を示す図である。
【図５】図１の構成で、ピンホールの径に対し、ビーム径が３倍になるまでのビーム長さの関係を示す図である。
【図６】図１の構成で、ｓ"＝５０ｍｍ、ピンホール径が０.５５ｍｍにおけるビーム径の変化を示す図である。
【図７】図１の構成で、ｓ"＝５０ｍｍにおいて、ピンホール板の位置を変化させたときのビーム径変化を示す図である。
【図８】図１の構成で、ｓ"＝１００ｍｍにおいて、ピンホール板の位置を変化させたときのビーム径変化を示す図である。
【図９】図１の構成で、集光レンズとしてプラスティックレンズを用い、ピンホール径が０.５５ｍｍにおける室温でのビーム径の変化を示す図である。
【図１０】図１の構成で、集光レンズとしてプラスティックレンズを用い、ピンホール径が０.５５ｍｍにおける５０℃でのビーム径の変化を示す図である。
【図１１】図１の構成で、集光レンズとしてプラスティックレンズを用い、ピンホール径が０.５５ｍｍにおける０℃でのビーム径の変化を示す図である。
【図１２】従来の構成で、プラスティックレンズを用いた場合の、温度変化に対するスポット直径の変化を示す図である。
【図１３】従来の平行ビームを得るガスレーザにより、出射される出射口でのビーム径に対する１００ｍｍ離れた位置でのビーム径の関係を示す図である。
【図１４】従来の平行ビームにピンホールを設けた場合における、ピンホール径に対するビーム径の変化を示す図である。
【図１５】従来の収束ビーム法による場合の、レンズからの距離に対するビーム径の変化を示す図である。
【符号の説明】
１    レーザ光源
２    集光レンズ
３    ピンホール板
４    受光素子
【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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