(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビーム源と、該レーザビーム源のビームを絞る光源側集光レンズと、該光源側集光レンズにより収束され、再度広がるレーザビームを受光部側集光レンズにより集光して受光素子により受光し、前記光源側集光レンズにより収束される部分のレーザビーム内の被検出物の通過を検出する受光部ユニットであって、前記受光素子が、その受光部の面積が２ｍｍ2以下に形成されると共に、前記受光部側集光レンズによりビームが収束される点より前記受光部側集光レンズよりで、かつ、該受光部側集光レンズの焦点距離の位置またはそれより受光部側集光レンズから離れた位置にセッティングされてなるレーザビームの受光部ユニット。
【請求項２】
請求項１に記載の受光部ユニットにおいて、前記光源側集光レンズにより収束される部分のレーザビーム内に、インクジェットプリンタのインク液滴の飛翔粒子を通過させ、該飛翔粒子の有無を検出するインクジェットプリンタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえばインクジェットプリンタのインク液滴を検出するレーザセンサなどのように、レーザ光の細いビームを飛翔微粒子、液滴などにより遮断させてそのレーザビームの強度の減少を検出することにより、飛翔微粒子の通過の有無などを検出する場合の受光部ユニットおよびそれを用いたインクジェットプリンタに関する。さらに詳しくは、レーザビームを遮断する微粒子の速度が速くても確実に検出できるように、早い応答速度で確実に検出することができるレーザビームの受光部ユニットおよびそれを用いたインクジェットプリンタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のレーザビームの受光部ユニットとしては、図３に示されるように、空間を伝播するレーザ光３１を集光レンズ３２により絞り込み、ホトダイオードなどの受光素子３３により受信するものや、図４に示されるように、光ファイバ３５の端面から出射したレーザビーム３１を集光レンズ３２により絞り込み、ホトダイオードなどの受光素子３３により受信するものがある。
【０００３】
図３に示されるような平行光で伝播してきたレーザ光に対しては、集光レンズ３２の焦点距離ｆの位置にホトダイオード３３を配置して受光される。また、図４に示されるように、入射光が平行光でない場合は、光ファイバ３５の端面と集光レンズ３２の対向面との距離をｓ、集光レンズ３２の後面と受光素子３３との距離をｓ"とすると、
１／ｓ＋１／ｓ"＝１／ｆ
なるガウスの定理（凸レンズの公式）により求まるｓ"の位置に配置される。
【０００４】
また、通常の微粒子を検出するレーザセンサなどのように、空間中でレーザビームを一度収束させ、細いビーム径の部分で微粒子などを検出した後に、再度発散するビームを受光する場合も、前述のガウスの定理で定まる距離ｓ"の位置に受光素子が置かれる。
【０００５】
集光レンズ３２は、非球面レンズにより形成され、光軸が傾いたビームが入射し、集光レンズの端の方に偏芯して入射する場合でも、中心線から外れるものの、前述のｓ" で定まる距離のところに収束するように形成されている。そのため、受光素子を大きめに形成しておくことにより、レーザ光源側で少々の偏芯があっても、最良の感度で差し支えなく受光することができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように、従来のレーザセンサ用などの受光部ユニットは、受光素子の感度を充分に上げるためにも集光レンズの収束点に配置するように設計されている。一方、後述するように、高速の微粒子などを検出する受光部としては、受光素子の面積が大きくなると容量が大きくなり、その応答性が低下することを本発明者は見出し、受光素子の面積を小さくする必要がある。しかし、受光素子の面積を小さくすると、受光部ユニットに入射するビームが偏芯している場合、レーザビームが受光素子に入射しないで、全然検知できない場合が生じるという問題がある。
【０００７】
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、レーザビームを検出する受光部ユニットにおいて、応答速度を早くしながら、レーザ光源の少々の偏芯に拘わらず、必ず受光することができる受光部ユニットおよびそれを用いたインクジェットプリンタを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、従来のレーザセンサで、インクジェットプリンタの液滴など飛翔微粒子を連続的に検出する場合に、微粒子の変化を十分に検出することができない原因を鋭意検討を重ねて調べた結果、受光素子が微粒子の変化に充分に応答することができないことに原因があることを見出した。そして、さらに検討を重ねた結果、受光素子の面積が大きいとその容量が大きくなり、応答速度が遅くなるもので、その面積を２ｍｍ2以下にしなければ高速微粒子の検出を充分に行うことができないことを見出した。しかも、受光素子の面積が小さくなると、偏芯して入射したビームを充分に受光することができない場合が生じるが、受光素子の位置をビームの収束点（結像点）より前に出すことにより、偏芯したビームでも充分に受光することができることを見出した。
【０００９】
本発明のレーザビームの受光部ユニットは、レーザビーム源と、該レーザビーム源のビームを絞る光源側集光レンズと、該光源側集光レンズにより収束され、再度広がるレーザビームを受光部側集光レンズにより集光して受光素子により受光し、前記光源側集光レンズにより収束される部分のレーザビーム内の被検出物の通過を検出する受光部ユニットであって、前記受光素子が、その受光部の面積が２ｍｍ2以下に形成されると共に、前記受光部側集光レンズによりビームが収束される点より前記受光部側集光レンズよりで、かつ、該受光部側集光レンズの焦点距離の位置またはそれより受光部側集光レンズから離れた位置にセッティングされている。
前記構成の受光部ユニットにおいて、前記光源側集光レンズにより収束される部分のレーザビーム内に、インクジェットプリンタのインク液滴の飛翔粒子を通過させ、該飛翔粒子の有無を検出することにより、インク切れの有無を簡単に把握することができるインクジェットプリンタが得られる。
【００１０】
ここに収束点とは、光源から広がったビームが集光レンズにより集光され、結像する点を意味する。
【００１１】
この構成にすることにより、非球面レンズよりなる集光レンズは、偏芯して入射するビームも光学系の中心線をクロスして、偏芯しない光源からのビームの収束点とレンズから同じ距離の面に収束するように形成されているため、収束点より集光レンズ側で偏芯しないビームと交叉する部分が形成される。その結果、偏芯が許容される最大に偏芯した光源のビームが集光レンズと受光素子との中心線と交わる部分まで受光素子を集光レンズ側にずらせることにより、どのような偏芯した光源のビームも受光素子の受光面に入射する。
【００１２】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明によるレーザビームの受光部ユニットおよびそれを用いたインクジェットプリンタについて、図面を参照しながら説明をする。本発明によるレーザビームの受光部ユニットは、レーザビームを受光し、レーザビーム内の被検出物の通過を検出するもので、図１に示されるように、レーザビームを集光する集光レンズ１１と、その集光レンズ１１により集光されるビームを入射する受光素子１２とからなっている。そして、受光素子１２が、その受光部の面積が２ｍｍ2以下になるように形成されると共に、図１（ｂ）に受光部ユニット１０の拡大説明図が示されるように、集光レンズ１１によりビームが収束される点Ｐより集光レンズ１１側で、かつ、集光レンズ１１の焦点距離の位置Ｆより集光レンズ１１から離れた位置にセッティングされている。
【００１３】
図１に示される例は、たとえばインクジェットプリンタなどのインク液滴を検出するレーザセンサの構成例が示されており、たとえば半導体レーザからなるレーザ光源３が非球面レンズからなる光源側集光レンズ４によりビームを絞って、最小スポットのビーム部分５で微粒子などのセンシングを行う構成になっている。光源側集光レンズ４により絞られたビームは、センシング領域を過ぎると、また広がり、受光部ユニット１０で、前述のように再度集光レンズ１１により収束されて受光素子１２により検出されるようになっている。
【００１４】
集光レンズ１１は、たとえばガラスなどからなる非球面レンズで、たとえば口径が３〜１５ｍｍ程度で、焦点距離が１０ｍｍ程度のものを使用することができる。また、受光素子１２は、通常のシリコンからなるｐｎ接合（ｐｉｎ）などを使用することができるが、図１に示される例では、応答速度を上げるため、その受光面が０.５ｍｍ角と接合面積が小さいものを使用している。後述するように、この受光面積を小さくすることにより、最も簡単にその容量を小さくすることができ、受光面積を２ｍｍ2以下にすることにより、応答速度を１μｓ以下にすることができた。
【００１５】
前述のように、本発明者は高速の微粒子を精度よく検出するためには、受光素子１２の応答速度を早くする必要があり、受光素子１２の受光面積（ｐｎ接合面積）を小さくすることを試みた。すなわち、受光素子１２の応答速度（立上り時間）は、受光素子１２の容量と後段の増幅回路の入力インピーダンスとの積に比例し、受光素子１２の容量は、パッケージの容量とｐｎ接合の接合容量Ｃｊとの和およびキャリア濃度などにより変化する。本発明者は、受光特性に余り影響を与えないように、キャリア濃度などの特性に影響しやすい因子は変化させないで、その受光面積を小さくすることにより受光素子の接合容量Ｃｊを小さくすることを試みた。そして、鋭意検討を重ねた結果、インク液滴などの高速飛翔粒子を測定するためには、この接合容量Ｃｊを４００ｐＦ程度以下にする必要があり、この受光素子２の受光面積を２ｍｍ2程度以下、好ましくは１ｍｍ角以下、さらに好ましくは０.７５ｍｍ角以下の大きさにする必要があることを見出した。
【００１６】
受光素子２の受光面積を小さくすると、前述のように、レーザ光源側で偏芯があるとそのビームを受光素子により受光することができない場合が生じ得る。たとえば図２に示されるように、レーザ光源３がΔｙ１（たとえば０.２ｍｍ）偏芯すると、光源側集光レンズ４からｓ２（たとえば６０ｍｍ）のところに結像する像は、光軸の傾きθが、ｔａｎθ＝Δｙ１／ｆとなる。これは、図２よりｔａｎθ＝Δｙ１／ｓ１であるが、ガウスの定理  １／ｓ１＋１／ｓ２＝１／ｆにおいて、ｓ１よりｓ２が遥かに大きいため、ｓ１をほぼｆとみなせる。その結果、ｔａｎθ＝Δｙ１／ｆとなる。いま、Δｙ１＝０.２ｍｍ、ｆ＝１０ｍｍとすると、結像点の中心線からのずれΔｙ２は、Δｙ２＝ｓ２・ｔａｎθ＝１.２ｍｍとなる。
【００１７】
これがさらに３５ｍｍ進んで受光部側の焦点距離が１０ｍｍの集光レンズ１１に入射して集光されると、ガウスの定理  １／３５＋１／ｓ"＝１／１０より、ｓ"＝１４ｍｍで、１.２×１４／３５＝０.４８ｍｍ偏芯する。これだけ偏芯すると、たとえば受光素子の大きさが前述の０.５ｍｍ角である場合、中心線からは０.２５ｍｍの位置で受光素子２の受光面がなくなるため、全然受光することができないことになる。
【００１８】
本発明者は、このような問題を解決するため、鋭意検討を重ねた結果、偏芯する量は、組立精度から０.２ｍｍ以下に抑えることができ、０.２ｍｍのときに受光できるようにすれば、常に受光することができる。しかも、偏芯した光源によるビームは、図１（ｂ）および図２にも示されるように、光学系の中心線Ｏを横切って結像する。しかも、その交点は、受光側の集光レンズ１１の焦点距離ｆの近傍で焦点距離より遠い位置を通過する。そのため、この近傍に受光素子１２を置くことにより、受光感度は完全な結像点になっていないため、多少低下するが、０.２ｍｍ程度偏芯しても、必ず受光することができる。すなわち、受光側の集光レンズ１１の焦点距離ｆの位置と、普通に結像する位置ｓ"との間、さらに好ましくは、集光レンズ１１の第２主面からの距離をｘとして、ｆ≦ｘ≦（ｓ"＋ｆ）／２の位置に受光素子をおくことにより、応答速度を早めるために受光素子１２の受光面積を小さくしても、充分に偏芯に対応することができる。
【００１９】
受光素子１２を置く位置を焦点距離ｆより遠くにするのは、偏芯したビームでも、受光側の集光レンズ１１の前方焦点距離よりずっと手前で結像するビームを集光しているため、後ろの焦点距離よりさらに後方の中心線上を通過することになるからである。また、（ｓ"＋ｆ）／２より集光レンズ１１側にするのは、本来の結像面から（ｓ"−ｆ）／２だけ集光レンズ１１側の位置であれば、本来の結像面（１４ｍｍの位置）におけるズレのほぼ半分になり、０.２ｍｍ偏芯した場合でも充分に受光素子１２の受光面内に入射し、それより集光レンズ１１側であれば充分に受光面内に入るからである。しかし、余り集光レンズ１１側に近づけると受光感度が低下するため、偏芯したビームを受光し得る程度に近づけることが好ましい。
【００２０】
たとえば、前述のｆおよびｓ"の寸法で、本来は１４ｍｍの位置に受光素子１２を置くのが一番感度がよいのであるが、それより３ｍｍ集光レンズ側（ｘ＝１１）に置くことにより、偏芯していても必ず受光することができ、しかも応答速度は立上り０.２μｓで、充分に高速の粒子を検出することができ、信頼性が非常に向上した。
【００２１】
なお、図１（ｂ）には、レーザ光源の偏芯が０の場合Ａと、０.２の場合Ｂのビームが図示されており（図２は偏芯が０.２の場合Ｂのみ）、図が複雑になるため０.１の場合のビームが図示されていないが、偏芯が０.１の場合も調べた結果、１４ｍｍの収束点では、受光素子１２の端部ぎりぎりの位置であり感度が非常に低下していた。しかし、約３ｍｍ集光レンズ１１側にずらせて配置したときは充分な感度が得られた。また、図２においては、各部の大きさが必ずしも正確な寸法では記載されていない。
【００２２】
【発明の効果】
本発明によれば、レーザ光源側の組立ズレ、レーザユニットの設置ズレなどにより、ビームが傾いて出射された場合でも、レーザビームがレンズに入射するように設定すれば、収束したレーザビームが受光素子に入り、レーザ光のはみ出しがなくなる。しかも、本発明によれば、受光素子の受光面積を小さくしているため、受光素子の接合容量が小さくなり、応答速度が速くなり、高速の微粒子の検出も確実に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による受光部ユニットの一実施形態の構成説明図である。
【図２】図１の構成で、レーザ光源が偏芯したときの結像点のズレを説明する図である。
【図３】従来のレーザ光源に対する受光素子の配置の関係を示す説明図である。
【図４】従来のレーザ光源に対する受光素子の配置の関係を示す説明図である。
【符号の説明】
１０    受光部ユニット
１１    集光レンズ
１２    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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