JP2002283586A

JP2002283586A - インクカートリッジ及びインクジェット式記録装置

Info

Publication number: JP2002283586A
Application number: JP2001093392A
Authority: JP
Inventors: Noboru Tamura; 村登田
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2001-03-28
Filing date: 2001-03-28
Publication date: 2002-10-03
Anticipated expiration: 2021-03-28
Also published as: JP4048726B2

Abstract

(57)【要約】【課題】インクカートリッジ内のインク量を高い信頼
性の下で監視する。【解決手段】インクカートリッジのインク容器２０に
圧電装置１０６と振動部隔離手段６０とを有する液位検
出装置を装着する。圧電装置１０６は、インク容器２０
のインク収容空間に少なくとも一部を露出させた振動部
を有し、駆動信号を受けて振動部を振動させると共に振
動部の振動状態に応じて発生する逆起電力信号を出力す
る機能を有する。振動部隔離手段６０は、インクカート
リッジを記録装置の本体に装着する前においては圧電装
置１０６の振動部をインク収容空間内のインクから隔離
し、インクカートリッジを記録装置の本体に装着した際
に圧電装置１０６の振動部をインク容空間内のインクに
接触させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インクカートリッ
ジ及びインクジェット式記録装置に係わり、特に、圧電
装置を用いて液量を監視する機能を有するインクカート
リッジ及びインクジェット式記録装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】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。また、特願２０００−１４
７１２３号には、インクの液面を正確に検出するための
手段として、インク滴の射出数に基づいてインクの推定
消費状態を求めると共に圧電装置を用いてインクの実消
費状態を検出する手段が記載されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】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。

【０００９】ところが、従来の技術においては、圧電装
置の振動部に対向する空間にインクが存在しない場合の
共振周波数が事前にはわからないためにインクがなくな
った時点を正確に検出することが困難であった。

【００１０】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、インクカートリッジ内のインク量を高
い信頼性の下で監視できるインクカートリッジ及びこれ
を備えたインクジェット式記録装置を提供することを目
的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、インクによって記録を行う記録装置のイ
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、前記インク容器に装着された液位検出装置と、を
備え、前記液位検出装置は、前記インク容器のインク収
容空間に少なくとも一部を露出させた振動部を有し、駆
動信号を受けて前記振動部を振動させる機能と共に、前
記振動部の振動状態に応じて発生する逆起電力の信号を
出力する機能を有する圧電装置と、前記インクカートリ
ッジを前記記録装置の本体に装着する前においては前記
圧電装置の前記振動部を前記インク収容空間内のインク
から隔離すると共に、前記インクカートリッジを前記記
録装置の本体に装着した際に前記圧電装置の前記振動部
を前記インク収容空間内のインクに接触させる振動部隔
離手段と、を有することを特徴とする。

【００１２】また、好ましくは、前記インク容器には、
前記インクカートリッジを前記記録装置の本体に装着す
る際に前記記録装置の本体のインク供給針が挿入される
インク供給口が形成されており、前記振動部隔離手段
は、前記インク供給口に挿入された前記インク供給針に
係合して前記インク供給針と共に移動する移動体と、前
記圧電装置の前記振動部を覆って前記インク収容空間内
のインクから前記振動部を隔離するテープ部材と、を有
し、前記インクカートリッジを前記記録装置の本体に装
着する際に前記インク供給針に係合して移動する前記移
動体によって前記テープ部材が引っ張られて前記テープ
部材による前記振動部の覆いが解除される。

【００１３】また、好ましくは、前記インクカートリッ
ジは、前記記録装置の本体に装着されるに際して、前記
振動部隔離手段による前記振動部の覆いが解除される前
の第１位置を経て、前記振動部隔離手段による前記振動
部の覆いが解除されて前記インクカートリッジが前記記
録装置の本体に装着された状態の第２位置に移動するも
のであり、前記第１及び第２位置において前記圧電装置
と前記記録装置の本体とが電気的に接続された状態にあ
り、前記第１及び第２位置において、前記圧電装置に駆
動信号を供給して前記振動部を振動させた後に前記圧電
装置から出力される残留振動信号が前記記録装置の本体
に伝達されるようになされる。

【００１４】上記課題を解決するために、本発明による
インクジェット式記録装置は、上記いずれかのインクカ
ートリッジと、前記インクカートリッジが装着される
記録装置本体と、前記圧電装置からの出力信号に基づい
て前記インクカートリッジ内のインクの液位を判定する
液位判定手段と、を備えたことを特徴とする。

【００１５】上記課題を解決するために、本発明による
インクジェット式記録装置は、上述した第１及び第２位
置にて圧電装置を駆動できるインクカートリッジと、前
記インクカートリッジが装着される記録装置本体と、前
記圧電装置からの出力信号に基づいて前記インクカート
リッジ内のインクの液位を判定する液位判定手段と、を
備え、前記液位判定手段は、前記第１位置において前記
圧電装置に駆動信号を供給して前記振動部を振動させた
後の前記振動部の残留振動に起因して前記圧電装置から
出力される残留振動信号に基づいて、前記振動部にイン
クが接触していない状態における残留振動信号の共振周
波数を測定して初期共振周波数として記憶すると共に、
前記第２位置において前記圧電装置に駆動信号を供給し
て前記振動部を振動させた後の前記振動部の残留振動に
起因して前記圧電装置から出力される残留振動信号の共
振周波数が前記初期共振周波数に略一致したときに、前
記インク容器内のインクの液面が前記振動部の設置位置
を越えて低下したものと判断することを特徴とする。

【００１６】また、好ましくは、前記液位判定手段は、
前記インクカートリッジを前記記録装置本体に装着する
際に前記第１位置において測定された前記初期共振周波
数と、同じく前記インクカートリッジを前記記録装置本
体に装着する際に前記第２位置において測定された前記
共振周波数とを比較して、両者の間に有意な変化がみら
れない場合には前記液位検出装置に異常があると判断す
る。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態による
インクカートリッジ及びインクジェット式記録装置つい
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。

【００１８】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。

【００１９】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。

【００２０】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。

【００２１】図２及び図３は、本実施形態において用い
られる圧電装置としてのアクチュエータ１０６の詳細お
よび等価回路を示す。このアクチュエータ１０６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、インク容器内の液体の消費状
態を検出するものである。

【００２２】図２（Ａ）は、アクチュエータ１０６の拡
大平面図である。図２（Ｂ）は、アクチュエータ１０６
のＢ−Ｂ断面を示す。図２（Ｃ）は、アクチュエータ１
０６のＣ−Ｃ断面を示す。さらに図３（Ａ)および図３
（Ｂ)は、アクチュエータ１０６の等価回路を示す。ま
た、図３（Ｃ)および図３（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アクチュエ
ータ１０６を含む周辺およびその等価回路を示し、図３
（Ｅ)および図３（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アクチュエータ１０６を含む周
辺およびその等価回路を示す。

【００２３】アクチュエータ１０６は、ほぼ中央に円形
状の開口１６１を有する基板１７８と、開口１６１を被
覆するように基板１７８の一方の面（以下、「表面」と
いう。）に配置される振動板１７６と、振動板１７６の
表面の側に配置される圧電層１６０と、圧電層１６０を
両方からはさみこむ上部電極１６４および下部電極１６
６と、上部電極１６４と電気的に結合する上部電極端子
１６８と、下部電極１６６と電気的に結合する下部電極
端子１７０と、上部電極１６４および上部電極端子１６
８の間に配設され両者を電気的に結合する補助電極１７
２と、を有する。

【００２４】圧電層１６０、上部電極１６４および下部
電極１６６は、それぞれの主要部としての円形部分を有
する。そして、圧電層１６０、上部電極１６４および下
部電極１６６のそれぞれの円形部分が、圧電素子を形成
している。

【００２５】振動板１７６は、基板１７８の表面に、開
口１６１を覆うように形成される。キャビティ１６２
は、開口１６１と面する振動板１７６の部分と基板（キ
ャビティ形成部材）１７８の開口１６１とによって形成
される。圧電素子とは反対側の基板１７８の面（以下、
「裏面」という。）は、インク容器内方に面している。
これにより、キャビティ１６２は液体（インク）と接触
するように構成されている。なお、キャビティ１６２内
に液体が入っても基板１７８の表面側に液体が漏れない
ように、振動板１７６は基板１７８に対して液密に取り
付けられている。

【００２６】下部電極１６６は、振動板１７６の表面に
位置している。下部電極１６６の主要部である円形部分
の中心と開口１６１の中心とは、ほぼ一致するように取
り付けられている。なお、下部電極１６６の円形部分の
面積は、開口１６１の面積よりも小さくなるように設定
されている。

【００２７】一方、下部電極１６６の表面側には、圧電
層１６０が、その円形部分の中心と開口１６１の中心と
がほぼ一致するように配置形成されている。この場合、
圧電層１６０の円形部分の面積は、開口１６１の面積よ
りも小さく、かつ、下部電極１６６の円形部分の面積よ
りも大きくなるように設定されている。

【００２８】圧電層１６０の表面側には、上部電極１６
４が、その主要部である円形部分の中心と開口１６１の
中心とがほぼ一致するように配置形成されている。上部
電極１６４の円形部分の面積は、開口１６１および圧電
層１６０の円形部分の面積よりも小さく、かつ、下部電
極１６６の円形部分の面積よりも大きくなるよう設定さ
れている。

【００２９】したがって、圧電層１６０の主要部は、上
部電極１６４の主要部と下部電極１６６の主要部とによ
って、それぞれ表面側と裏面側とから挟みこまれる構造
となっている。これにより、圧電層１６０は効果的に変
形駆動され得る。圧電層１６０、上部電極１６４および
下部電極１６６のそれぞれの主要部である円形部分が、
アクチュエータ１０６における圧電素子を形成する。

【００３０】上述のように、この圧電素子は振動板１７
６に接している。また、上部電極１６４の円形部分、圧
電層１６０の円形部分、下部電極１６６の円形部分およ
び開口１６１のうちで、面積が最も大きいのは開口１６
１である。このような構造のために、振動板１７６のう
ち実際に振動する振動領域（振動部の領域）は、開口１
６１によって決定される。

【００３１】また、上部電極１６４の円形部分、圧電層
１６０の円形部分および下部電極１６６の円形部分の各
面積が、開口１６１の面積より小さいことにより、振動
板１７６がより振動しやすくなっている。

【００３２】さらに、圧電層１６０と電気的に接続する
下部電極１６６の円形部分および上部電極１６４の円形
部分のうち、下部電極１６６の円形部分の方が小さい。
従って、下部端子１６６の円形部分が、圧電層１６０の
うちで圧電効果を発生する部分を決定する。

【００３３】圧電素子を形成する圧電層１６０、上部電
極１６４、及び下部電極１６６の円形部分は、その中心
が、開口部１６１の中心とほぼ一致している。また、振
動板１７６の振動部分を決定する円形状の開口部１６１
の中心は、アクチュエータ１０６の全体のほぼ中心に位
置している。したがって、アクチュエータ１０６の振動
部の中心は、アクチュエータの中心とほぼ一致する。

【００３４】更に、圧電素子の主要部及び振動板１７６
の振動部分が円形形状を有するので、アクチュエータ１
０６の振動部は、アクチュエータ１０６の中心に対して
対称な形状である。

【００３５】このようにアクチュエータ１０６の振動部
が、アクチュエータ１０６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。

【００３６】また、振動部が等方的な形状であるので、
接着の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、アクチュエータ
１０６のインク容器への実装性がよい。

【００３７】更に、振動板１７６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。

【００３８】また、アクチュエータ１０６の振動の節
は、キャビティ１６２の外周部、すなわち、開口部１６
１の縁付近に位置する。

【００３９】上部電極端子１６８は、補助電極１７２を
介して上部電極１６４と電気的に接続するように、振動
板１７６の表面側に形成されている。一方、下部電極端
子１７０は、下部電極１６６に電気的に接続するよう
に、振動板１７６の表面側に形成されている。上部電極
１６４は、圧電層１６０の表面側に形成されるため、上
部電極端子１６８と接続する途中において、圧電層１６
０の厚さと下部電極１６６の厚さとの和に等しい段差を
有する必要がある。上部電極１６４だけでこの段差を形
成することは難しい。かりに上部電極１６４だけで段差
を形成することが可能であったとしても、上部電極１６
４と上部電極端子１６８との接続状態が弱くなってしま
い、切断してしまう危険がある。そこで、補助電極１７
２を補助部材として用いて、上部電極１６４と上部電極
端子１６８とを接続させている。このようにすること
で、圧電層１６０も上部電極１６４も補助電極１７２に
支持された構造となり、所望の機械的強度を得ることが
でき、また、上部電極１６４と上部電極端子１６８との
接続を確実にすることが可能となる。

【００４０】なお、圧電素子と振動板１７６のうちの圧
電素子に直面する振動領域とが、アクチュエータ１０６
において実際に振動する振動部である。また、アクチュ
エータ１０６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。アク
チュエータ１０６を一体的に形成することによって、ア
クチュエータ１０６の取り扱いが容易になる。

【００４１】さらに、基板１７８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１７８の強
度を高めることによって、アクチュエータ１０６の振動
部のみが振動し、アクチュエータ１０６のうち振動部以
外の部分が振動しない。また、アクチュエータ１０６の
振動部以外の部分が振動しないためには、基板１７８の
強度を高めることに加えて、アクチュエータ１０６の圧
電素子を薄くかつ小さくすると共に、振動板１７６を薄
くすることも有効である。

【００４２】圧電層１６０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１７８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１７６には、基板１７８と同じ材料を用いる
ことが好ましい。上部電極１６４、下部電極１６６、上
部電極端子１６８および下部電極端子１７０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。

【００４３】図２および図３に示されるアクチュエータ
１０６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１６２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、
アクチュエータ１０６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１６２内
およびその外側は液体によって満たされている。

【００４４】一方、インク容器の液体が消費され、アク
チュエータの装着位置以下まで液面が降下すると、キャ
ビティ１６２内に液体が存在しない状態となる、あるい
は、キャビティ１６２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。

【００４５】アクチュエータ１０６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、アクチュエータ１０６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。

【００４６】次に、アクチュエータによる液面検出の原
理について説明する。アクチュエータ１０６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、アクチュエータ
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、上述した圧電素子は、アクチュ
エータ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、アクチュエータの振動部
の振幅によって変化する。従って、アクチュエータの振
動部の振幅が大きいほど、検出が容易である。

【００４７】また、アクチュエータ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、アクチュエータの振動部の周
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、アクチュエータ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。

【００４８】アクチュエータ１０６の振動領域は、振動
板１７６のうち開口１６１によって決定されるキャビテ
ィ１６２を構成する部分である。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１６２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。

【００４９】ここで、図２および図３を参照しながら、
逆起電力の測定により得られる媒体とアクチュエータ１
０６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。

【００５０】アクチュエータ１０６において、上部電極
端子１６８および下部電極端子１７０を介して、それぞ
れ上部電極１６４および下部電極１６６に電圧を印加す
る。このため、圧電層１６０のうち、上部電極１６４お
よび下部電極１６６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１６０は変形する。圧電層１６
０が変形することによって、振動板１７６のうちの振動
領域がたわみ振動する。圧電層１６０が変形した後しば
らくは、たわみ振動がアクチュエータ１０６の振動部に
残留する。

【００５１】残留振動は、アクチュエータ１０６の振動
部と媒体との自由振動である。従って、圧電層１６０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、アクチュエータ１
０６の振動部の振動であり、圧電層１６０の変形を伴
う。このため、圧電層１６０は逆起電力を発生する。こ
の逆起電力は、上部電極１６４、下部電極１６６、上部
電極端子１６８および下部電極端子１７０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。

【００５２】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。

【００５３】図２（Ｃ）は、本実施形態において、キャ
ビティ１６２にインクが残存していないときのアクチュ
エータ１０６の断面図である。図３（Ａ)および図３
（Ｂ)は、キャビティ１６２にインクが残存していない
ときのアクチュエータ１０６の振動部およびキャビティ
１６２の等価回路である。

【００５４】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
３（Ａ)に示すように、Ｍact＝Ｍpzt＋Ｍelectrode1＋Ｍelectrode2＋Ｍvib （式２）と表される。

【００５５】ここで、Ｍpztは、振動部における圧電層
１６０の厚さと圧電層１６０の密度との積を圧電層１６
０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１６４の厚さと上部電極１６４の密度
との積を上部電極１６４の面積で除したものである。Ｍ
electrode2は、振動部における下部電極１６６の厚さと
下部電極１６６の密度との積を下部電極１６６の面積で
除したものである。Ｍvibは、振動部における振動板１
７６の厚さと振動板１７６の密度との積を振動板１７６
の振動領域の面積で除したものである。

【００５６】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１６０、上部電極１６４、下部電極１６６および
振動板１７６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。

【００５７】また、本実施形態において、圧電層１６
０、上部電極１６４および下部電極１６６においては、
それらの主要部である円形部分以外の部分は、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、アクチュエータ１０６において、Ｍactは、上部電
極１６４、下部電極１６６、圧電層１６０および振動板
１７６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１
６４、下部電極１６６、圧電層１６０および振動板１７
６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。

【００５８】尚、図３（Ａ)、図３（Ｂ)、図３（Ｄ)、
図３（Ｆ)は、アクチュエータ１０６の振動部およびキ
ャビティ１６２の等価回路を示すが、これらの等価回路
において、Ｃactはアクチュエータ１０６の振動部のコ
ンプライアンスを示す。Ｃpzt、Ｃelectrode1、Ｃelect
rode2およびＣvibは、それぞれ、振動部における圧電層
１６０、上部電極１６４、下部電極１６６および振動板
１７６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３（Ａ)は、図３（Ｂ)のように
表すこともできる。

【００５９】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。

【００６０】図３（Ｃ)は、インク容器に液体が十分に
収容され、アクチュエータ１０６の振動領域の周辺に液
体が満たされている場合のアクチュエータ１０６の断面
図を示す。図３（Ｃ)のＭ’maxは、インク容器に液体が
十分に収容され、アクチュエータ１０６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。

【００６１】尚、式４は、アクチュエータ１０６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。

【００６２】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。

【００６３】図３（Ｄ)は、インク容器に液体が十分に
収容され、アクチュエータ１０６の振動領域の周辺に液
体が満たされている図３（Ｃ)の場合のアクチュエータ
１０６の振動部およびキャビティ１６２の等価回路を示
す。

【００６４】図３（Ｅ)は、インク容器の液体が消費さ
れ、アクチュエータ１０６の振動領域の周辺に液体が無
いものの、アクチュエータ１０６のキャビティ１６２内
には液体が残存している場合のアクチュエータ１０６の
断面図を示す。

【００６５】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１６２内に液体が残留
しつつアクチュエータ１０６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、アクチュ
エータ１０６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。

【００６６】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、アクチュエータ１０６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１６２内
に液体が残留しつつアクチュエータ１０６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。

【００６７】ここで、図３（Ｅ)のように、インク容器
の液体が消費され、アクチュエータ１０６の振動領域の
周辺に液体が無いものの、アクチュエータ１０６のキャ
ビティ１６２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、アクチュエー
タ１０６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。

【００６８】図３（Ｆ)は、インク容器の液体が消費さ
れ、アクチュエータ１０６の振動領域の周辺に液体が無
いものの、アクチュエータ１０６のキャビティ１６２内
には液体が残存している図３（Ｅ)の場合のアクチュエ
ータ１０６の振動部およびキャビティ１６２の等価回路
を示す。

【００６９】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、アクチュエータ１０６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、キャビティ内部に液体が残存するか、もしくは、
アクチュエータ１０６の振動部に気体または真空が接触
する。アクチュエータ１０６の周辺の液体が消費され、
図３（Ｃ)のＭ’maxから図３（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。

【００７０】ここで、図３（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。

【００７１】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。

【００７２】図４（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。

【００７３】インク容器にインクが十分に収容され、ア
クチュエータ１０６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１６２内にインクが残留しつつアクチ
ュエータ１０６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
留するアクチュエータ１０６のキャビティ１６２のｄ
(図２（Ｂ）参照)を小さく、即ち、基板１７８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３（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。

【００７４】例えば、アクチュエータ１０６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
面がアクチュエータ１０６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、アクチュエータ１０６は
インクの消費状態を徐々に検出することができる。

【００７５】あるいは、インクカートリッジの側壁に、
アクチュエータ１０６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
の液面がアクチュエータ１０６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１６２の直径２
ａ（図３（Ｃ)参照）の範囲内にある限り、アクチュエ
ータ１０６はインクの消費状態を徐々に検出することが
できる。

【００７６】図４(Ａ)の曲線Ｘは、底面に配置されたア
クチュエータ１０６のキャビティ１６２を十分に浅くし
た場合や、側壁に配置されたアクチュエータ１０６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。

【００７７】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、アクチュエ
ータ１０６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、ア
クチュエータ１０６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。

【００７８】例えば、アクチュエータ１０６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ｔ
ink−maxより小さいときには、アクチュエータ１０６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、アクチュエータ１０６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。

【００７９】アクチュエータ１０６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、アクチュエータ１０６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。

【００８０】アクチュエータ１０６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、アクチュエータ
１０６の振動領域のうち、アクチュエータ１０６の振動
にかかわる媒体がインクのみの領域と、アクチュエータ
１０６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。アクチュエータ
１０６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、アクチュエータ１０６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。

【００８１】尚、式９は、アクチュエータ１０６のキャ
ビティにインクが保持されない場合に適用される。アク
チュエータ１０６のキャビティ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。

【００８２】アクチュエータ１０６の振動は、ｔink−m
ax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
さい程度でアクチュエータ１０６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アクチュエータ
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、開口部（キャビティ）の径が小
さい場合は、開口部を通過する間のアクチュエータの振
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、インク液面が開口部より上か下かを検出す
る。

【００８３】例えば、図４(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アクチュエータの
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。

【００８４】アクチュエータ１０６を用いて液体の有無
を検出する方法は、振動板１７６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、アクチュエータ１
０６を用いて液体の有無を検出する方法は、インク容器
へのアクチュエータ１０６の取付位置及びインクの種類
によって影響され難い。

【００８５】更に、単一のアクチュエータ１０６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１６０の振動周波数を非可聴領域に設定する
ことで、アクチュエータ１０６の動作中に発生する音を
静かにすることが好ましい。

【００８６】図４（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４
（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。

【００８７】続いて、インク容器内の液体が空の状態で
あってもアクチュエータ１０６のキャビティ１６２内に
液体が残存するようにキャビティ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。アクチュエータ１０６は、キャビティ１６２
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１６２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。

【００８８】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Ｍac
t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。

【００８９】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１６２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。

【００９０】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１６２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、アクチュエータ１０６
は、インク容器内の液体の状態を検出できる。

【００９１】即ち、インク容器内の液体が空の状態で、
アクチュエータ１０６のキャビティ１６２内に液体が残
存する場合に、アクチュエータ１０６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、アクチュエータ１０６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
１６２の形状にかかわらない。

【００９２】ここで、Ｍ’cav は、キャビティ１６２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、アクチ
ュエータ１０６が液体の状態を正確に検出できる条件
は、キャビティ１６２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１６２の開口１６１
の半径をaとし、およびキャビティ１６２の深さをｄと
すると、Ｍ’max＞ρ＊ｄ／πａ^２（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１６２の深さｄである
キャビティ１６２を有するアクチュエータ１０６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１６２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。

【００９３】尚、式１０、式１１は、キャビティ１６２
の形状が円形の場合に限り成立する。キャビティ１６２
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πａ^２をその面積と置き換えて計算す
れば、キャビティ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。

【００９４】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、残留振動によりアクチ
ュエータ１０６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。

【００９５】図５(Ａ) および図５（Ｂ）は、アクチュ
エータ１０６に駆動信号を供給して振動部を振動させた
後の、アクチュエータ１０６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アクチ
ュエータ１０６の装着位置レベルにおけるインク液位の
上下は、アクチュエータ１０６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５(Ａ) および図５（Ｂ）において、縦軸はア
クチュエータ１０６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。アクチュエータ１
０６の残留振動によって、図５(Ａ) および図５（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５(Ａ)および図５（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。

【００９６】より詳細には、アクチュエータ１０６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。

【００９７】図５（Ａ）は、アクチュエータ１０６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５（Ｂ）はアクチュエータ１０６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５（Ａ）と図５（Ｂ）とを比較すると、図５（Ａ）の
方が図５（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。

【００９８】アナログ波形の４カウント目から数えるの
は、アクチュエータ１０６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５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。

【００９９】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。

【０１００】図６は、アクチュエータ１０６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１の所定個所に装着される。モジュール体１０
０は、インク液中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、容器１内の液体の消費状態を
検知するように構成されている。

【０１０１】本実施形態のモジュール体１００は、イン
ク容器１にアクチュエータ１０６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１０
１は、平面がほぼ矩形の基台１０２と、駆動信号により
発振するアクチュエータ１０６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のアクチュエータ１０６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、アクチ
ュエータ１０６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。

【０１０２】図７は、図６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６参照）とを
含む。さらに、モジュール体１００は、リードワイヤ１
０４ａ及び１０４ｂ、アクチュエータ１０６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。

【０１０３】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、アクチュエータ１０６、フィルム１０
８、及びプレート１１０を収容できるように開口部１１
４の周囲に凹部１１３が形成されている。

【０１０４】アクチュエータ１０６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
よびアクチュエータ１０６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１０
４ａ及び１０４ｂ、アクチュエータ１０６、フィルム１
０８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。

【０１０５】リードワイヤ１０４ａ及び１０４ｂは、そ
れぞれアクチュエータ１０６の上部電極及び下部電極と
結合して、圧電層に駆動信号を伝達する一方、アクチュ
エータ１０６が検出した共振周波数の信号を記録装置等
へ伝達する。

【０１０６】アクチュエータ１０６は、リードワイヤ１
０４ａ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、アクチュエータ１０６
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。

【０１０７】フィルム１０８は、アクチュエータ１０６
とプレート１１０とを接着して、アクチュエータを液密
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。アクチュエ
ータ１０６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、アクチュエータ１０６をプレート１１
０に接着しても、アクチュエータ１０６の振動特性は変
化しない。

【０１０８】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。ア
クチュエータ１０６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、アク
チュエータ１０６、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１
０２、リードワイヤ１０４ａ及び１０４ｂ、アクチュエ
ータ１０６、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、アクチュエータ１０６、フィル
ム１０８及びプレート１１０の中心は、モジュール体１
００のほぼ中心軸上に配置されている。

【０１０９】また、基台１０２の開口部１１４の面積
は、アクチュエータ１０６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の中心でアクチュエ
ータ１０６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および図３に示したように、ア
クチュエータ１０６にはキャビティ１６２が形成されて
おり、貫通孔１１２とキャビティ１６２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、アクチュエータ１０６のキャビティ１６２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。

【０１１０】モジュール体１００は、貫通孔１１２がイ
ンク容器１の内側へ向くように、インク容器１の側部、
上部又は底部に装着される。インクが消費され、アクチ
ュエータ１０６周辺のインクがなくなると、アクチュエ
ータ１０６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。

【０１１１】図８は、図６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６で説明したような
円柱部を備えることが好ましい。

【０１１２】モジュール体１００の先端がインク容器２
０の内部に露出することで、プレート１１０の貫通孔１
１２を介して、インク容器２０内のインクがアクチュエ
ータ１０６と接触する。アクチュエータ１０６の振動部
の周囲が液体か気体かによって、アクチュエータ１０６
の残留振動の共振周波数が異なるので、モジュール体１
００を用いてインクの消費状態を検出することができ
る。

【０１１３】図９は、本実施形態によるインクジェット
式記録装置の主要部分のシステム構成を示した図であ
る。上述したように、インクカートリッジ７にはアクチ
ュエータ（圧電装置）１０６が装着され、このアクチュ
エータ１０６は、インクカートリッジ７のインク収容空
間に少なくとも一部を露出させ得る振動部を有し、駆動
信号を受けて前記振動部を振動させる機能と共に、前記
振動部の振動状態に応じた逆起電力の信号を出力する機
能を有する。

【０１１４】制御装置本体２００は、インクジェット式
記録装置を制御するコンピュータで構成される。制御装
置本体２００はインクジェット記録装置に設けられてい
ても良いし、或いは、制御装置本体２００の一部又は全
部の機能が、インクジェット式記録装置に接続された他
のコンピュータ等の外部装置に設けられていても良い。
さらに、制御装置本体２００の一部の機能が、プログラ
ムとしてコンパクトディスク等の記録媒体２０３に格納
され、ドライブ装置等の入力装置２０４を介して供給さ
れても良い。

【０１１５】制御装置本体２００は、液位判定部２０２
及び異常判定部２０５を有する液位判定手段２０１を備
えている。液位判定手段２０１の液位判定部２０２は、
アクチュエータ１０６に駆動信号を供給して振動部を振
動させた後の振動部の残留振動に起因してアクチュエー
タ１０６から出力される残留振動信号の共振周波数に基
づいてインクカートリッジ７内のインクの液位を判定す
る。液位判定部２０２は、例えば、残留振動信号中のパ
ルスの数を計測すると共に、パルス数のカウント開始時
点から、所定数のパルスをカウントする時点までの所要
時間を計測することにより、残留振動信号の共振周波数
を測定する。液位判定部２０２によって、例えばインク
カートリッジ７のインクエンドを判定することができ
る。

【０１１６】液位判定手段２０１の液位判定部２０２
は、図２（Ｃ）に示したようにキャビティ１６２には液
体が存在しない場合と、図３（Ｃ）に示したようにキャ
ビティ１６２の部分のみならず、その前方が液体で満た
されている場合とで残留振動信号の共振周波数が変化す
ることを利用して、インクの液面が圧電装置１０６の振
動部の位置を通過したか否かを判定することができる。

【０１１７】制御装置本体２００は、さらに、印刷動作
部２０６を制御する印刷動作制御部２０７、印刷データ
記憶部２０８及び消費情報提示部２０９を含む。消費情
報提示部２０９は、液位判定手段２０１が検出した消費
状態情報を、ディスプレイ２１０及びスピーカ２１１を
用いてユーザに提示する。例えば、ディスプレイ２１０
には消費状態を示す図形等が表示され、スピーカ２１１
からはインク残量を示す報知音又は合成音声が出力され
る。合成音声により、適切な操作が案内されてもよい。

【０１１８】消費状態はユーザの要求に応えて提示され
てもよい。また、適当な間隔をおいて周期的に提示され
ても良い。また、適当なイベント、例えば印刷開始等の
イベントが生じたときに提示されても良い。また、イン
ク残量が所定の閾値（例えばインクエンドに相当する閾
値）になったときに自動的に提示されても良い。

【０１１９】次に、図１０及び図１１を参照して、本実
施形態における液位検出装置の振動部隔離手段について
説明する。

【０１２０】振動部隔離手段はインクカートリッジ７に
装着され、インクカートリッジ７の使用開始前において
アクチュエータ（圧電装置）１０６の振動部をインク収
容空間内のインクから隔離すると共に、インクカートリ
ッジ７をカートリッジホルダに装着した際に、アクチュ
エータ１０６の振動部をインク収容空間内のインクから
の隔離を解除してインクに接触させる。

【０１２１】図１０に示したように振動部隔離手段６０
は、インク供給口２１に挿入されたインク供給針４０に
係合してインク供給針４０と共に移動する移動体６１
と、アクチュエータ１０６の振動部を覆ってインク収容
空間内のインクから振動部を隔離するテープ部材６２
と、を有する。テープ部材６２の一端側の部分は振動部
を覆うようにしてインクカートリッジ７のインク容器２
０の内面に接着されており、テープ部材６２の他端は移
動体６１に固着されている。また、テープ部材６２はテ
ープガイド６３によって案内されている。

【０１２２】図１１に示したように、移動体６１は、環
状部材６４と、この環状部材６４の下面に突設された３
本の細長係合部材６５とを有し、３本の細長係合部材６
５の先端部６６が内側に湾曲して、インク供給針４０の
先端を受け止めるように構成されている。環状部材６４
には３つの貫通孔６７が形成されており、図１０に示し
たようにインク容器２０の底面に立設された３本の支持
棒６８が各貫通孔６７に挿通され、支持棒６８によって
移動体６１の上下動作を案内するように構成されてい
る。

【０１２３】そして、インクカートリッジ７をカートリ
ッジホルダに装着する際にインク供給針４０に係合して
上方に移動する移動体６１によってテープ部材６２が引
っ張られて、テープ部材６２による圧電装置１０６の振
動部の覆いが解除される。その際、テープ部材６２の一
端に形成されたストッパー部６９がテープガイド６３に
引っかかるように構成されている。

【０１２４】図１２は、記録装置のキャリッジ１上に形
成されたカートリッジホルダ５０に、インクカートリッ
ジ７を装着する直前の様子を模式的に示しており、また
図１３は、インクカートリッジ７をカートリッジホルダ
５０に装着した後の様子を模式的に示している。キャリ
ッジ１に配置されたカートリッジホルダ５０（以下、単
に「ホルダ」とも言う。）には、一般に、複数のインク
カートリッジ７が並列状態に装着されるが、図１２には
そのうちの１つのカートリッジ７を示している。

【０１２５】カートリッジ７内のインク収容空間にはイ
ンクが充填されており、カートリッジ７の下底部に形成
されたインク供給口２１からインクを導出できるように
構成されている。

【０１２６】カートリッジ７には、圧電装置１０６に対
するアクセス端子としての一対の電極端子（又は電極端
子群）２２、２３が配置されている。これらのアクセス
用の電極端子２２，２３は、カートリッジ７の外表面で
あって、ホルダ５０に対するカートリッジ７の挿入方向
と略平行な面上に配置されており、前記挿入方向に沿っ
た異なる位置、すなわち図１２中、上下方向に若干離さ
れた状態で配置されている。

【０１２７】そして、圧電装置１０６に接続された第１
の電極端子２２は、カートリッジ７がホルダ５０に挿入
されるときに、テープ部材６２による圧電装置１０６の
振動部の覆いが解除される前の第１位置（図１２に示し
た位置）において、ホルダ５０の内壁に配置された接触
端子（又は接触端子群）５１と接触するような位置に設
けられている。

【０１２８】また、圧電装置１０６に接続された第２の
電極端子２２は、テープ部材６２による振動部の覆いが
解除されてインクカートリッジ７がホルダ５０に装着さ
れた状態の第２位置に達したとき、すなわち図１３に示
したようにインク供給針４０がインク供給口２１に十分
に挿入されて、記録装置側にインクが供給される状態と
なったときに、ホルダ５０側に配置された接触端子５１
と接触するような位置に設けられている。

【０１２９】このような構成により、第１及び第２位置
において圧電装置１０６と制御装置本体２００とが電気
的に接続された状態となり、制御装置本体２００の液位
判定手段２０１は、第１位置において圧電装置１０６に
駆動信号を供給して振動部を振動させた後の振動部の残
留振動に起因して圧電装置１０６から出力される残留振
動信号に基づいて、振動部にインクが接触していない状
態における残留振動信号の共振周波数を測定して初期共
振周波数として記憶する。

【０１３０】さらに、液位判定手段２０１は、第２位置
において圧電装置１０６に駆動信号を供給して振動部を
振動させた後の振動部の残留振動に起因して圧電装置１
０６から出力される残留振動信号が初期共振周波数に略
一致したときに、インクカートリッジ７のインク容器２
０内のインクの液面が振動部の設置位置を越えて低下し
たものと判断する。

【０１３１】また、ホルダ５０には、カートリッジ７が
第１位置に挿入された状態で、それ以上の挿入を一時的
に阻止することができるロック機構５２が設けられてい
る。このロック機構５２によってカートリッジ７が第１
位置にロックされた状態で、第１の電極端子２２を介し
て制御装置本体２００に接続された圧電装置１０６を駆
動して初期共振周波数が測定される。そして、初期共振
周波数の測定が終了したら、制御装置本体２００からの
指令信号によってロック機構５２が退避され、その結
果、図１３に示すようにインクを供給し得る第２位置に
カートリッジ７を移動させることができる。

【０１３２】液位判定手段２０１はインクカートリッジ
７の圧電装置１０６の正常／異常を判定する機能を備え
ており、図１４に示したように、インクカートリッジ７
がホルダ５０に挿入されると（ステップ１）、まず第１
位置において圧電装置１０６を作動させて初期共振周波
数を測定し（ステップ２）、続いて、第２位置において
圧電装置１０６を作動させて共振周波数を測定する（ス
テップ３）。そして、第１位置における初期共振周波数
と第２位置における共振周波数とを比較して周波数が変
化したか否かを判断し（ステップ４）、両者の間に有意
な変化がみられない場合には、液位検出装置に異常があ
ると判断してディスプレイ２１０やスピーカ２１１に警
告が表示される（ステップ５）。一方、両周波数の間に
有意な変化がみられた場合には、液位検出装置が正常に
機能しているものと判断される（ステップ６）。

【０１３３】以上述べたように、圧電装置１０６の振動
部にインクが接触していない状態において初期共振周波
数を実測して記憶しておき、インクの消費に伴って変化
した共振周波数と初期共振周波数とを比較してインク量
を判定するようにしたので、インクカートリッジ７のイ
ンク容器２０内のインク量を高い信頼性の下で監視する
ことが可能である。例えば、圧電装置１０６をインク容
器２０の底面近傍に配置することにより、高信頼性のイ
ンクエンドセンサーとして使用することができる。

【０１３４】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、圧電
装置の振動部にインクが接触していない状態における初
期共振周波数を事前に測定することができるので、イン
クの消費に伴って変化する共振周波数を初期共振周波数
と比較することにより、インクカートリッジ内のインク
量を高い信頼性の下で監視することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態によ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（アクチ
ュエータ）の詳細を示す図である。

【図３】図２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４】図２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５】図２に示した圧電装置の逆起電力波形を示す図
である。

【図６】図２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７】図６に示したモジュール体の構成を示す分解図
である。

【図８】図６に示したモジュール体をインク容器に装着
した断面の例を示す図である。

【図９】本発明の一実施形態によるインクジェット式記
録装置の主要部分のシステム構成を示した図である。

【図１０】本発明の一実施形態における液位検出装置の
振動部隔離手段及びその周辺を拡大して示した断面図で
ある。

【図１１】図１０に示した振動部隔離手段の移動体を示
した斜視図である。

【図１２】本発明の一実施形態によるインクジェット式
記録装置のカートリッジホルダにインクカートリッジを
装着する直前の状態を模式的に示した図である。

【図１３】本発明の一実施形態によるインクジェット式
記録装置のカートリッジホルダにインクカートリッジを
装着した状態を模式的に示した図である。

【図１４】本発明の一実施形態における液位判定手段の
異常判定処理を示したフローチャートである。

【符号の説明】

７インクカートリッジ２０インク容器２１インク供給口２２、２３電極端子４０インク供給針５１接触端子６０振動部隔離手段６１移動体６２テープ部材６３テープガイド１０６圧電装置（アクチュエータ）２００制御装置本体２０１液位判定手段２０２液位判定部２０３記録媒体２０５異常判定部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】インクによって記録を行う記録装置のイン
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、前記インク容器に装着された液位検出装置と、を備え、前記液位検出装置は、前記インク容器のインク収容空間に少なくとも一部を露
出させた振動部を有し、駆動信号を受けて前記振動部を
振動させる機能と共に、前記振動部の振動状態に応じて
発生する逆起電力の信号を出力する機能を有する圧電装
置と、前記インクカートリッジを前記記録装置の本体に装着す
る前においては前記圧電装置の前記振動部を前記インク
収容空間内のインクから隔離すると共に、前記インクカ
ートリッジを前記記録装置の本体に装着した際に前記圧
電装置の前記振動部を前記インク収容空間内のインクに
接触させる振動部隔離手段と、を有することを特徴とす
るインクカートリッジ。
【請求項２】前記インク容器には、前記インクカートリ
ッジを前記記録装置の本体に装着する際に前記記録装置
の本体のインク供給針が挿入されるインク供給口が形成
されており、前記振動部隔離手段は、前記インク供給口に挿入された
前記インク供給針に係合して前記インク供給針と共に移
動する移動体と、前記圧電装置の前記振動部を覆って前
記インク収容空間内のインクから前記振動部を隔離する
テープ部材と、を有し、前記インクカートリッジを前記
記録装置の本体に装着する際に前記インク供給針に係合
して移動する前記移動体によって前記テープ部材が引っ
張られて前記テープ部材による前記振動部の覆いが解除
されることを特徴とする請求項１記載のインクカートリ
ッジ。
【請求項３】前記インクカートリッジは、前記記録装置
の本体に装着されるに際して、前記振動部隔離手段によ
る前記振動部の覆いが解除される前の第１位置を経て、
前記振動部隔離手段による前記振動部の覆いが解除され
て前記インクカートリッジが前記記録装置の本体に装着
された状態の第２位置に移動するものであり、前記第１及び第２位置において前記圧電装置と前記記録
装置の本体とが電気的に接続された状態にあり、前記第
１及び第２位置において、前記圧電装置に駆動信号を供
給して前記振動部を振動させた後に前記圧電装置から出
力される残留振動信号が前記記録装置の本体に伝達され
るようになされたことを特徴とする請求項１又は２に記
載のインクカートリッジ。
【請求項４】請求項１乃至３のいずれか一項に記載のイ
ンクカートリッジと、前記インクカートリッジが装着される記録装置本体と、前記圧電装置からの出力信号に基づいて前記インクカー
トリッジ内のインクの液位を判定する液位判定手段と、
を備えたことを特徴とするインクジェット式記録装置。
【請求項５】請求項３記載のインクカートリッジと、前記インクカートリッジが装着される記録装置本体と、前記圧電装置からの出力信号に基づいて前記インクカー
トリッジ内のインクの液位を判定する液位判定手段と、
を備え、前記液位判定手段は、前記第１位置において前記圧電装
置に駆動信号を供給して前記振動部を振動させた後の前
記振動部の残留振動に起因して前記圧電装置から出力さ
れる残留振動信号に基づいて、前記振動部にインクが接
触していない状態における残留振動信号の共振周波数を
測定して初期共振周波数として記憶すると共に、前記第
２位置において前記圧電装置に駆動信号を供給して前記
振動部を振動させた後の前記振動部の残留振動に起因し
て前記圧電装置から出力される残留振動信号の共振周波
数が前記初期共振周波数に略一致したときに、前記イン
ク容器内のインクの液面が前記振動部の設置位置を越え
て低下したものと判断することを特徴とするインクジェ
ット式記録装置。
【請求項６】前記液位判定手段は、前記インクカートリ
ッジを前記記録装置本体に装着する際に前記第１位置に
おいて測定された前記初期共振周波数と、同じく前記イ
ンクカートリッジを前記記録装置本体に装着する際に前
記第２位置において測定された前記共振周波数とを比較
して、両者の間に有意な変化がみられない場合には前記
液位検出装置に異常があると判断することを特徴とする
請求項５記載のインクジェット式記録装置。