JP2002286525A

JP2002286525A - 液量監視装置及びこれを備えた液体消費装置

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Publication number: JP2002286525A
Application number: JP2001093446A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Nishihara; 原雄一西
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: JP3613192B2; DE60201284T2; US20020144550A1; EP1245393B1; EP1245393A1; ATE276885T1; US6675646B2; DE60201284D1

Abstract

(57)【要約】【課題】液体容器内の液量を高い信頼性の下で監視す
る。【解決手段】圧電装置１０６と、この圧電装置１０６
からの残留振動信号の共振周波数から液量を判定する液
量判定手段２０５とを有する。液量判定手段２０５は、
残留振動信号中の所定数のパルスのカウントに要する所
要時間により共振周波数を計測するが、その際、カウン
ト開始時点をずらしながら少なくとも３回計測し、計測
値同士の間に許容限度以上の不一致がある場合には判定
異常と判断する。第１及び第３回目の計測時間帯域が重
ならず、第２回目の計測時間帯域が第１及び第３回目の
計測時間帯域に重なるようにカウント開始時点をずら
す。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液量監視装置及び
これを備えた液体消費装置に係わり、特に、圧電装置を
用いて液量を監視する液量監視装置及びこれを備えた液
体消費装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】液体消費装置の一例であるインクジェッ
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
る技術は、圧電装置の振動部の残留振動に起因して発生
する残留振動信号に基づいてインクの液量を検出するも
のである。ところが、この残留振動信号はその振幅が微
弱であるためにノイズの影響を大きく受けてしまい、ノ
イズの影響のためにインクの液量を誤って検出してしま
う可能性があった。

【０００９】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、液体容器内の液量を高い信頼性の下で
監視できる液量監視装置及びこれを備えた液体消費装置
を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明による液量監視装置は、液体の収容空間に少
なくとも一部を露出させ得る振動部を有し、駆動信号の
供給により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、前記圧電装置に前記駆動
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に基づいて、前記振動部に対向す
る空間に存在する液体の量を判定する液量判定手段と、
を備え、前記液量判定手段は、前記残留振動信号中のパ
ルスの数を計測し、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
測してその計測結果に基づいて液量を判定するものであ
り、さらに、前記液量判定手段は、前記カウント開始時
点をずらしながらパルス数のカウントを少なくとも３回
実施し、前記所要時間についての少なくとも３つの計測
値同士の間に許容範囲を超える不一致がある場合には判
定異常と判断する機能を有し、第１回目の計測における
前記所要時間の時間帯域と第３回目の計測における前記
所要時間の時間帯域とが重ならず、第２回目の計測にお
ける前記所要時間の時間帯域が第１回目及び第３回目の
計測における前記所要時間の時間帯域のそれぞれに重な
るように前記カウント開始時点同士をずらしたことを特
徴とする。

【００１１】また、好ましくは、前記液量判定手段は、
判定異常と判断された場合には前記所要時間を再計測す
る。

【００１２】また、好ましくは、前記液体はインクジェ
ット式記録ヘッド用のインク容器に収容されるものであ
り、前記圧電装置は前記インク容器に装着されて前記振
動部の少なくとも一部が前記インク容器のインク収容空
間に露出しており、前記液量判定手段は、判定異常と判
断された場合には、前記記録ヘッドが装着されているキ
ャリッジが停止している状態において前記所要時間を再
計測する。

【００１３】また、好ましくは、前記液体はインクジェ
ット式記録ヘッド用のインク容器に収容されるものであ
り、前記圧電装置は前記インク容器に装着されて前記振
動部の少なくとも一部が前記インク容器のインク収容空
間に露出しており、前記液量判定手段は、判定異常と判
断された場合には、前記記録ヘッドからのインク吐出が
停止している状態において前記所要時間を再計測する。

【００１４】また、好ましくは、前記液量判定手段は、
前記液体の液面が前記振動部を通過する前後における前
記残留振動信号の共振周波数の変化に基づいて、前記液
体の液面が前記振動部の設置位置を通過したか否かを判
定する機能を有する。

【００１５】上記課題を解決するために、本発明による
液体消費装置は、上記いずれかの液量監視装置と、前記
液量監視装置の前記圧電装置が装着された液体容器と、
前記液体容器から供給される液体を消費する装置本体
と、を備えたことを特徴とする。

【００１６】上記課題を解決するために、本発明による
コンピュータ読み取り可能な記録媒体は、少なくとも１
台のコンピュータを含むコンピュータシステムによって
実行されて、前記コンピュータシステムに上記いずれか
の液量監視装置の前記液量判定手段を実現させるプログ
ラムを記録したことを特徴とする。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施形態による
液量監視装置及びこれを備えた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および図２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。

【００１８】図１（Ａ）は、アクチュエータ１０６の拡
大平面図である。図１（Ｂ）は、アクチュエータ１０６
のＢ−Ｂ断面を示す。図１（Ｃ）は、アクチュエータ１
０６のＣ−Ｃ断面を示す。さらに図２（Ａ)および図２
（Ｂ)は、アクチュエータ１０６の等価回路を示す。ま
た、図２（Ｃ)および図２（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２
（Ｅ)および図２（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。

【００１９】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。

【００２０】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。

【００２１】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。

【００２２】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。

【００２３】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。

【００２４】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。

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】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。

【００２８】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。

【００２９】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。

【００３０】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。

【００３１】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。

【００３２】更に、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、製造が容易であり、
圧電素子ごとの形状のばらつきを小さくできる。したが
って、圧電素子ごとの共振周波数のばらつきが小さくな
る。

【００３３】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。

【００３４】また、円形形状の振動板１７６の振動部分
の面積を大きくすることによって、逆起電力波形の振幅
及び液体の有無による共振周波数の振幅の差が大きくな
り、共振周波数の検出の精度を更に向上できる。

【００３５】振動板１７６の振動による変位は、基板１
７８の振動による変位よりもはるかに大きい。すなわ
ち、アクチュエータ１０６は、コンプライアンスの小さ
い（振動によって変位しにくい）基板１７８と、コンプ
ライアンスの大きい（振動によって変位しやすい）振動
板１７６との２層構造を有する。この２層構造によっ
て、基板１７８によってインク容器に確実に固定されな
がら、かつ、振動板１７６の変位を大きくできる。この
ため、逆起電力波形の振幅及び液体の有無による共振周
波数の振幅の差が大きくなり、共振周波数の検出の精度
が向上できる。

【００３６】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。

【００３７】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。

【００３８】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。

【００３９】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。

【００４０】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。

【００４１】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。

【００４２】上述したように構成されるアクチュエータ
（圧電装置）１０６は、液体を収容する容器に装着する
ことができる。例えば、液体消費装置の一例であるイン
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
やインクタンク、あるいは、記録ヘッドを洗浄するため
の洗浄液を収容した容器、などに装着することができ
る。

【００４３】図１および図２に示されるアクチュエータ
１０６は、インク容器の所定の場所に、キャビティ１６
２がインク容器内に収容される液体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（インク）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、少なくとも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。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。

【００４７】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。

【００４８】本実施形態のアクチュエータ１０６には、
キャビティ１６２が設けられている。これにより、アク
チュエータ１０６の振動領域にインク容器内の液体が残
るように設計することができる。その理由は次の通りで
ある。

【００４９】アクチュエータ１０６のインク容器への取
り付け位置や取り付け角度によっては、インク容器内の
液体の液面がアクチュエータの装着位置よりも下方にあ
るにもかかわらず、アクチュエータの振動領域に液体が
付着してしまう場合がある。振動領域における液体の有
無だけから液体の有無を検出する場合には、このように
アクチュエータの振動領域に付着する液体が、液体の有
無の正確な検出を妨げる。

【００５０】たとえば、液面がアクチュエータの装着位
置よりも下方にある状態のとき、キャリッジの往復移動
などによりインク容器が揺動して液体が波うち、振動領
域に液滴が付着してしまうと、アクチュエータはインク
容器内に液体が充分にあるとの誤った判断をしてしま
う。

【００５１】そこで、アクチュエータ１０６では、振動
領域に液体が残存している場合であっても液体の有無を
正確に検出するようにキャビティを積極的に設けること
で、インク容器が揺動して液面が波立ったとしても、ア
クチュエータの誤動作を防止することができる。このよ
うに、キャビティを有するアクチュエータを用いること
で、誤動作を防ぐことができる。

【００５２】また、図２（Ｅ)に示すように、インク容
器内に液体が無く、アクチュエータ１０６のキャビティ
１６２に液体が残っている場合を、液体の有無の閾値と
する。すなわち、キャビティ１６２の周辺に液体が無
く、この閾値よりキャビティ内の液体が少ない場合は、
インク無しと判断し、キャビティ１６２の周辺に液体が
有り、この閾値より液体が多い場合は、インク有りと判
断する。

【００５３】例えば、アクチュエータ１０６をインク容
器の側壁に装着した場合、インク容器内の液体がアクチ
ュエータの装着位置よりも下にある場合をインク無しと
判断し、インク容器内の液体がアクチュエータの装着位
置より上にある場合をインク有りと判断する。

【００５４】このように閾値を設定することによって、
キャビティ内のインクが乾燥してインクが無くなったと
きであってもインク無しと判断することができ、キャビ
ティ内のインクが無くなったところにキャリッジの揺れ
などで再度インクがキャビティに付着しても（閾値を越
えないので）インク無しと判断することができる。

【００５５】ここで、図１および図２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。

【００５６】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。

【００５７】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
体の量を検出することができる。

【００５８】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。

【００５９】図１（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２（Ａ)および図２
（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。

【００６０】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
２（Ａ)に示すように、Ｍact＝Ｍpzt＋Ｍelectrode1＋Ｍelectrode2＋Ｍvib （式２）と表される。

【００６１】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。

【００６２】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。

【００６３】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。

【００６４】尚、図２（Ａ)、図２（Ｂ)、図２（Ｄ)、
図２（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２（Ａ)は、図２（Ｂ)のように
表すこともできる。

【００６５】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。

【００６６】図２（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２（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。

【００６７】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。

【００６８】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。

【００６９】図２（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２（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。

【００７０】図２（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。

【００７１】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。

【００７２】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。

【００７３】ここで、図２（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。

【００７４】図２（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２（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。

【００７５】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２（Ｃ)のＭ’maxから図２（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。

【００７６】ここで、図２（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。

【００７７】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。

【００７８】図３（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。

【００７９】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１（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２（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。

【００８０】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。

【００８１】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２（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。

【００８２】図３(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。

【００８３】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。

【００８４】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。

【００８５】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。

【００８６】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。

【００８７】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。

【００８８】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。

【００８９】例えば、図３(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。

【００９０】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。

【００９１】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。

【００９２】図３（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３
（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。

【００９３】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。

【００９４】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。

【００９５】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。

【００９６】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。

【００９７】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。

【００９８】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。

【００９９】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。

【０１００】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。

【０１０１】図４(Ａ) および図４（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４(Ａ) および図４（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４(Ａ) および図４（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４(Ａ)および図４（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。

【０１０２】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。

【０１０３】図４（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４（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４（Ａ）と図４（Ｂ）とを比較すると、図４（Ａ）の
方が図４（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。

【０１０４】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４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。

【０１０５】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。

【０１０６】図５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。

【０１０７】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。

【０１０８】図６は、図５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５参照）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。

【０１０９】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。

【０１１０】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。

【０１１１】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。

【０１１２】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。

【０１１３】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。

【０１１４】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。

【０１１５】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１および図２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。

【０１１６】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。

【０１１７】図７は、図５に示したモジュール体１００
をインク容器１に装着したときの、インク容器の底部近
傍の断面図である。モジュール体１００は、インク容器
１の側壁を貫通するように装着されている。インク容器
１の側壁とモジュール体１００との接合面には、Ｏリン
グ３６５が設けられ、モジュール体１００とインク容器
１との液密を保っている。このようにＯリングでシール
が出来るために、モジュール体１００は、図５で説明し
たような円柱部を備えることが好ましい。

【０１１８】モジュール体１００の先端がインク容器１
の内部に挿入されることで、プレート１１０の貫通孔１
１２を介して、インク容器１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１０
０を用いてインクの消費状態を検出することができる。

【０１１９】図８は、図１に示したアクチュエータ１０
６を用いたインクカートリッジ及びインクジェット式記
録装置の実施形態を示す。複数のインクカートリッジ１
８０は、それぞれのインクカートリッジ１８０に対応し
た複数のインク導入部１８２及びホルダー１８４を有す
るインクジェット式記録装置に装着される。複数のイン
クカートリッジ１８０は、それぞれ異なった種類、例え
ば異なった色のインクを収容する。複数のインクカート
リッジ１８０のそれぞれの底面には、少なくとも音響イ
ンピーダンスを検出する手段であるアクチュエータ１０
６が装着されている。アクチュエータ１０６をインクカ
ートリッジ１８０に装着することによって、インクカー
トリッジ１８０内のインク残量を検出することができ
る。

【０１２０】図９は、インクジェット式記録装置の記録
ヘッド及びその周辺の詳細を示す。インクジェット式記
録装置は、インク導入部１８２、ホルダー１８４、ヘッ
ドプレート１８６及びノズルプレート１８８を有する。
インクを噴射するノズル１９０が、ノズルプレート１８
８に複数形成されている。

【０１２１】インク導入部１８２は、空気供給口１８１
とインク導入口１８３とを有する。空気供給口１８１
は、インクカートリッジ１８０に空気を供給する。イン
ク導入口１８３には、インクカートリッジ１８０からイ
ンクが導入される。

【０１２２】インクカートリッジ１８０は、空気導入口
１８５とインク供給口１８７とを有する。空気導入口１
８５には、インク導入部１８２の空気供給口１８１から
空気が導入される。インク供給口１８７は、インク導入
部１８２のインク導入口１８３にインクを供給する。イ
ンクカートリッジ１８０に空気導入口１８５から空気を
導入することによって、インクカートリッジ１８０から
インク導入部１８２へのインクの供給が促される。ホル
ダー１８４は、インクカートリッジ１８０からインク導
入部１８２を介して供給されたインクをヘッドプレート
１８６に連通するものである。

【０１２３】図１０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
り、図１０に示したようにインクカートリッジ１８０に
はアクチュエータ１０６が装着されている。アクチュエ
ータ１０６は、インクカートリッジ１８０のインク容器
のインク収容空間に少なくとも一部を露出させ得る振動
部を有し、駆動信号が供給されることにより前記振動部
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。

【０１２４】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。

【０１２５】制御装置本体２００は、アクチュエータ１
０６の振動部に対向する空間に存在するインクの量を判
定する液量判定手段２０５を有する。この液量判定手段
２０５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
周波数に基づいてて液量を判定する。

【０１２６】液量判定手段２０５は、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
要時間を計測するカウンタ部２１２を有する。カウンタ
部２１２は３つのカウンタを備えており、カウント開始
時点を少しづつずらしながら、パルス数のカウントを３
回実施する。

【０１２７】さらに、液量判定手段２０５はエラー検出
部２１３を備えており、このエラー検出部２１３は、前
記所要時間についての３つの計測値同士の間に許容範囲
を超える不一致がある場合には判定異常と判断する機能
を有する。

【０１２８】好ましくは、液量判定手段２０５は、図２
（Ｅ）に示したようにキャビティ１６２の中には液体が
存在するがキャビティ１６２の外側には液体が存在しな
い場合と、図２（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の振動部を通過し
たか否かを判定することができる。

【０１２９】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、液量判定手段２０５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。

【０１３０】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。

【０１３１】図１１は、液量判定手段２０５を構成する
回路図の一例を示し、この回路には３つのカウンタ３０
０、３０１、３０２及びエラー検出部２１３が含まれて
いる。エラー検出部２１３は、最下位ビットは測定誤差
として無視している。

【０１３２】図１２及び図１３は、アクチュエータ１０
６及び液量判定手段２０５から成る本実施形態の液量監
視装置の作用を説明するための波形図であり、図１２は
液量判定手段２０５による判定が正常に行われた場合を
示し、図１３は判定異常の場合を示している。図１３に
示した例では、アクチュエータ１０６の出力波形（アク
チュエータ出力波形）のノイズがのっている。

【０１３３】図１２及び図１３に示したように、コンパ
レータ出力の最初の４発は、アクチュエータ１０６の出
力波形が安定しないので無視している。また、カウンタ
１は５発目から２発分、カウンタ２は６発目から２発
分、カウンタ３は７発目から２発分の所要時間をそれぞ
れ計測している。

【０１３４】そして、３つのカウンタのそれぞれのカウ
ント開始時点を、第１回目の計測における前記所要時間
の時間帯域と第３回目の計測における前記所要時間の時
間帯域とが重ならず、第２回目の計測における前記所要
時間の時間帯域が第１回目及び第３回目の計測における
前記所要時間の時間帯域のそれぞれに重なるように少し
ずつずらしている。

【０１３５】図１２から分かるように、液量判定手段２
０５による判定が正常に行われる場合には、３つのカウ
ンタで計測した前記所要時間の３つの計測値が等しくな
る。一方、図１３から分かるように、アクチュエータ１
０６からの残留振動信号にノイズがのった場合には、３
つのカウンタで計測した前記所要時間３つの計測値の間
に不一致が発生する。

【０１３６】したがって、３つのカウンタの計測値が一
定の測定誤差範囲内におさまっていればその計測結果は
信頼することができる。一方、３つのカウンタの計測値
同士の間に許容範囲を超える不一致がある場合には、ノ
イズにより影響を受けたと判断することができる。

【０１３７】図１４は液量判定手段２０５における処理
のフローチャートを示し、図１５は図１４中のカウント
動作の部分における処理のフローチャートを示してい
る。

【０１３８】図１４に示したように、液量監視装置（イ
ンクレベルセンサ）の動作開始信号が発せられると（ス
テップ１）、再測定フラグがＬとされた後（ステップ
２）、カウント動作が開始される（ステップ３）。そし
て、カウント動作においてエラーが発生したか否かを判
定し（ステップ４）、エラーが発生していない場合には
正常終了とする（ステップ５）。

【０１３９】一方、エラーが発生した場合には、再測定
フラグがＬか否かを確認し（ステップ６）、再測定フラ
グがＬではない場合には検出失敗とする（ステップ
７）。また、再測定フラグがＬの場合には、再測定フラ
グをＨとした後（ステップ８）、キャリッジが停止して
いるか否かを判断する（ステップ９）。キャリッジが停
止していない場合にはキャリッジが停止するまで待ち
（ステップ１０）、キャリッジが停止している場合には
インク吐出が停止しているか否かを判断する（ステップ
１１）。インク吐出が停止していない場合には停止する
まで待ち（ステップ１２）、インク吐出が停止している
場合にはカウント動作（ステップ３）に戻って再度測定
を実施する。

【０１４０】カウント動作の処理を示す図１５におい
て、記号αはカウンタ１の動作前に無視するパルス数を
示し、記号βはカウンタ１が動き始めてからカウンタ２
が動き始めるまでのパルス数を示し、記号γはカウンタ
１が動き始めてからカウンタ３が動き始めるまでのパル
ス数を示し、記号δはカウンタがカウントするパルス数
を示す。

【０１４１】図１５に示したようにカウンタ１ではパル
ス数がαか否かを判定して（ステップ２０）、パルス数
がαとなったらカウント動作を開始する（ステップ２
１）。そして、パルス数がα＋δか否かを判定して（ス
テップ２２）、パルス数がα＋δになったらカウンタ１
を停止する（ステップ２３）。

【０１４２】また、カウンタ２ではパルス数がα＋βか
否かを判定して（ステップ３０）、パルス数がα＋βと
なったらカウント動作を開始する（ステップ３１）。そ
して、パルス数がα＋β＋δか否かを判定して（ステッ
プ３２）、パルス数がα＋β＋δになったらカウンタ２
を停止する（ステップ３３）。

【０１４３】さらに、カウンタ３ではパルス数がα＋γ
か否かを判定して（ステップ４０）、パルス数がα＋γ
となったらカウント動作を開始する（ステップ４１）。
そして、パルス数がα＋γ＋δか否かを判定して（ステ
ップ４２）、パルス数がα＋γ＋δになったらカウンタ
３を停止する（ステップ４３）。

【０１４４】３つのカウンタのすべてが停止したら、カ
ウンタ１，２，３の上位有効ビットが一致したか否かを
判定し（ステップ５０）、一致しない場合にはエラー発
生を通知し（ステップ５１）、一致した場合には終了す
る。

【０１４５】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、液量
判定手段は、圧電装置からの残留振動信号中の所定数の
パルスを、カウント開始時点をずらしながら少なくとも
３回カウントしてそれぞれの所要時間を測定し、それら
の測定値同士の間に許容範囲を超える不一致がある場合
には判定異常と判断するようにしたので、圧電装置の出
力信号にノイズがのりやすいような環境下においても、
液量監視装置によって高い信頼性の下で液量を監視する
ことができる。特に、インクジェット式記録装置のイン
クカートリッジ内のインク量を監視するような場合に
は、記録ヘッドを搭載したキャリッジの動作中やインク
の吐出中に圧電装置の出力信号にノイズがのりやすいの
で、本発明による液量監視装置がとくに有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】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２】図１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３】図１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４】図１に示した圧電装置の逆起電力波形を示す図
である。

【図５】図１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６】図５に示したモジュール体の構成を示す分解図
である。

【図７】図５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８】図１に示した圧電装置を装着したインクカート
リッジ及びインクジェット式記録装置を示す図である。

【図９】図１および図２に示した圧電装置を装着したイ
ンクジェット式記録装置の詳細を示す図である。

【図１０】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１１】本発明の一実施形態による液量監視装置の液
量判定手段を構成する回路図の一例を示した図である。

【図１２】本発明の一実施形態による液量監視装置の作
用を説明するための正常判定時の波形図である。

【図１３】本発明の一実施形態による液量監視装置の作
用を説明するための異常判定時の波形図である。

【図１４】本発明の一実施形態による液量監視装置の液
量判定手段における処理のフロートチャートを示した図
である。

【図１５】図１４に示したフローチャート中のカウント
動作の部分における処理のフローチャートを示した図で
ある。

【符号の説明】

１インク容器１０６圧電装置（アクチュエータ）１６０圧電層１６２キャビティ１６４上部電極１６６下部電極１７６振動板１７８基板（キャビティ形成部材）１８０インクカートリッジ１８８ノズルプレート１９０ノズル２００制御装置本体２０５液量判定手段２１２カウンタ部２１３エラー検出部３００，３０１，３０２カウンタ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】液体の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、駆動信号の供給により前記振動部
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、前記圧電装置に前記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に基づい
て、前記振動部に対向する空間に存在する液体の量を判
定する液量判定手段と、を備え、前記液量判定手段は、前記残留振動信号中のパルスの数
を計測し、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してそ
の計測結果に基づいて液量を判定するものであり、さらに、前記液量判定手段は、前記カウント開始時点を
ずらしながらパルス数のカウントを少なくとも３回実施
し、前記所要時間についての少なくとも３つの計測値同
士の間に許容範囲を超える不一致がある場合には判定異
常と判断する機能を有し、第１回目の計測における前記
所要時間の時間帯域と第３回目の計測における前記所要
時間の時間帯域とが重ならず、第２回目の計測における
前記所要時間の時間帯域が第１回目及び第３回目の計測
における前記所要時間の時間帯域のそれぞれに重なるよ
うに前記カウント開始時点同士をずらしたことを特徴と
する液量監視装置。
【請求項２】前記液量判定手段は、判定異常と判断され
た場合には前記所要時間を再計測することを特徴とする
請求項１記載の液量監視装置。
【請求項３】前記液体はインクジェット式記録ヘッド用
のインク容器に収容されるものであり、前記圧電装置は
前記インク容器に装着されて前記振動部の少なくとも一
部が前記インク容器のインク収容空間に露出しており、前記液量判定手段は、判定異常と判断された場合には、
前記記録ヘッドが装着されているキャリッジが停止して
いる状態において前記所要時間を再計測することを特徴
とする請求項２記載の液量監視装置。
【請求項４】前記液体はインクジェット式記録ヘッド用
のインク容器に収容されるものであり、前記圧電装置は
前記インク容器に装着されて前記振動部の少なくとも一
部が前記インク容器のインク収容空間に露出しており、前記液量判定手段は、判定異常と判断された場合には、
前記記録ヘッドからのインク吐出が停止している状態に
おいて前記所要時間を再計測することを特徴とする請求
項２又は３に記載の液量監視装置。
【請求項５】前記液量判定手段は、前記液体の液面が前
記振動部を通過する前後における前記残留振動信号の共
振周波数の変化に基づいて、前記液体の液面が前記振動
部の設置位置を通過したか否かを判定する機能を有する
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
の液量監視装置。
【請求項６】請求項１乃至５のいずれか一項に記載の液
量監視装置と、前記液量監視装置の前記圧電装置が装着された液体容器
と、前記液体容器から供給される液体を消費する装置本体
と、を備えたことを特徴とする液体消費装置。
【請求項７】少なくとも１台のコンピュータを含むコン
ピュータシステムによって実行されて、前記コンピュー
タシステムに請求項１乃至５のいずれか一項に記載の液
量監視装置の前記液量判定手段を実現させるプログラム
を記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。