JP2004069484A

JP2004069484A - 液体吐出ヘッドとその液滴量測定方法、検査システム、液体吐出装置、製造システム及び液滴量測定装置

Info

Publication number: JP2004069484A
Application number: JP2002228929A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Uehara; 上原　良浩; Yasunobu Murofushi; 室伏　康信
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2002-08-06
Filing date: 2002-08-06
Publication date: 2004-03-04

Abstract

【目的】液体吐出ヘッドの更なる高画質化を実現するため、吐出液滴の１滴１滴の量を精度良く計測することができる液体吐出ヘッドの吐出液滴量測定方法を提供すること。
【構成】既知の気流流れ場の所定の位置にシート状の光束を形成し、該光束のシート面内を飛翔するように液滴を吐出し、前記液滴の動きが前記気流流れ場と一致する前に、前記液滴に前記光束が当り散乱する光を複数回撮像し、その撮像された画像から算出される液滴位置と、撮像したタイミング及び流れ場の気流の速度から前記液滴の液滴量を算出する。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、所望の液体を吐出して媒体上に前記液体を着弾させ、所望のパターンを描く液体吐出装置の液体吐出ヘッドからの飛翔液滴の量、つまり体積を測定する液体吐出ヘッドの吐出液滴量測定方法、液体吐出ヘッドの吐出液滴量測定装置、液体吐出ヘッドの検査システム、液体吐出装置、液体吐出ヘッドの製造システム及び液体吐出ヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、液体吐出ヘッド（以下、ヘッドと略称）の吐出口からインク液滴（以下、液滴と略称）を吐出し、紙やＯＨＰシート等の記録媒体に着弾させることで、画像を形成する液体吐出記録装置が知られている。液体吐出記録装置においては、高精細且つ高画質化が求められている。
【０００３】
吐出された液滴量にばらつきがあると、濃度むらやカラー画像における色調ずれ等の影響を及ぼし、高精細且つ高画質化の妨げとなる。こうした問題を解決するためには、ヘッドの液滴吐出特性の解析を行う必要があり、液滴量に関しては吐出液滴１滴１滴の量を測定しその量の値と吐出ごとのばらつきが求められてきた。尚、ここで言う液滴の量とは、液滴の体積と同義にとらえている。
【０００４】
又、より高品質のヘッドを出荷するために、製造されたヘッドの液滴吐出特性の検査項目の１つとして、吐出液滴１滴１滴の量を測定することが求められてきた。
【０００５】
しかし、ヘッドから吐出される液滴は、例えば径が２０μｍ弱、体積で４ｐｌと、液滴量が微小であることから、液滴１滴の量を測定するのは困難を極める。従来から、ヘッドの液滴吐出量を測定する各種の方法が提案されている。
【０００６】
従来の第１の方法は、予め液体吐出記録装置のインクタンクの質量を測定しておき、その後、規定のヘッド駆動を行わせ、その後、更にそのインクタンクの質量を測定することにより、ヘッドの駆動動作前後の液滴質量差から平均的な液滴吐出量を算出するものである。
【０００７】
従来の第２の方法は、染料が含まれる液滴をガラス基板上に形成した透明受容層上に着弾させ、その着弾液滴部分に光を照射し、透過した光量の計測値から着弾液滴内に含まれる染料の量を見積もる。そして、液適量とそれに含まれる染料の量との比が既知であるとすることにより液滴吐出量を算出するものである。
【０００８】
従来の第３の方法は、例えば特開平５−１４９７６９号公報に記載されているように、液滴の飛翔像をカメラ等で撮影し、撮影画像を画像処理し、その画像の大きさから液滴体積を算出するものである。
【０００９】
従来の第４の方法は、例えば特開２０００−１５３６０３号公報に記載されているように、所定の深さと幅とを持つシャーレ形態の媒体に吐出液滴を受け、天板で覆い、天板に押し潰され変形した液滴のサイズを測定し、その測定値に基づいて、液滴の体積を算出するものである。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来例においては次のような問題があった。
【００１１】
従来例の第１の方法では、算出するのは多数液滴の平均値であり、１滴１滴の液滴量ではないため、液滴間のばらつきや過渡的な液滴量の変化を測定することはできない。そのため、十分な情報が得られないという問題があった。
【００１２】
又、従来例の第２の方法は、液滴を受ける受容層にばらつきがあり、そのばらつきにより液滴の受容層内での広がり方が変わり、延ては透過光量に変化する。現状では、特に、受容層の表面エネルギや表面形状むら等のばらつきが液滴量測定の精度を落としている。又、この方法では、光を吸収しない透明液滴や光の透過量が極端に落ちる顔料インク等には適用できない。又、高速で連続的に吐出される液滴量を測定しようとすると、図１３に示すように基板に着弾した液と液とが分離されず、繋がってしまうため、１滴ごとの液滴量を測定することができない。
【００１３】
又、従来例の第３の方法では、照明の方法、つまり照明光の強さや向き等により撮像される液滴の大きさが変ってしまう。又、２０μｍ弱の液滴径を測定するには高倍率のレンズで撮影する必要があるが、レンズは高倍率である程、視写界深度は浅い。
【００１４】
一方、この方法では飛翔する液滴を撮影するが、液滴の飛翔軌道にはばらつきがあるため、視写界深度から外れた液滴を撮影してしまうことがある。焦点からずれた位置で撮影した液滴像は、実際の大きさよりも大きく撮影される。つまり、液滴の飛翔軌道のばらつきが、計測される液滴量に誤差をもたらす。更に、この方法では、液滴径から液滴量を算出するが、液滴量は液滴径の３乗に比例するので、量の絶対誤差も径の測定絶対誤差のおよそ３乗に比例することになり、液滴径の測定誤差を小さく抑えないと、液滴量の絶対誤差が大きくなる欠点がある。
【００１５】
更に、従来例の第４の方法では、基板の撓みや表面むらのため、液滴を挟む受容基板と天板面との間隔をばらつきなく一定にするのは難しい。更に、受容基板と天板面の両面の濡れの状態もばらつきなく一定にすることは難しいため、測定に誤差が生じてしまう。更に、高速で連続的に吐出される液滴量を測定しようとすると、第２の方法と同様に、基板に着弾した液と液とが分離されず、繋がってしまうため、１滴ごとの液滴量を測定することができない。
【００１６】
本発明の目的は、液体吐出ヘッドの更なる高画質化を実現するため、前記従来例の欠点を無くし、吐出液滴の１滴１滴の量を精度良く計測することができる液体吐出ヘッドの吐出液滴量測定方法、液体吐出ヘッドの吐出液滴量測定装置、液体吐出ヘッドの検査システム、液体吐出装置、液体吐出ヘッドの製造システム及び液体吐出ヘッドを提供するものである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、既知の気流流れ場の所定の位置にシート状の光束を形成し、該光束のシート面内を飛翔するように液滴を吐出し、前記液滴の動きが前記気流流れ場と一致する前に、前記液滴に前記光束が当り散乱する光を複数回撮像し、その撮像された画像から算出される液滴位置と、撮像したタイミング及び流れ場の気流の速度から前記液滴の液滴量を算出することを特徴とする。
【００１８】
ここで、一定流れ中の球に働く抗力Ｆは、レイノルズ数が小さいとき、Ｓｔｏｋｅｓの式に従い、球の質量をｍ、球の半径をｒ、球に働く相対速度をｖ、雰囲気気体の粘性係数をηとすると、
Ｆ＝６πηｒｖ　　　　　　…（１）
と表される。これにより、球に働く運動方程式が決定される。
【００１９】
球に働く加速度をａ、時定数をτ＝ｍ／６πηｒとおくと球に働く運動方程式は、
τ・ａ　＝　　ｖ　　　　　…（２）
と表される。
【００２０】
液滴を球と考え、液滴の密度をρとすると、τ＝ｍ／６πηｒ＝２ｒ^２　ρ／９ηである。
【００２１】
液滴の密度ρと雰囲気気体の粘性係数ηが既知であれば、式（２）から時定数τを求めることで液滴の半径ｒが求められ、液滴量を算出できる。
【００２２】
式（２）からτを求めるには、複数時刻での液滴位置と、その複数の時刻の間に液滴が移動する軌道上の雰囲気気体の速度場が既知であることが必要である。
【００２３】
計測対象である液体吐出ヘッドから吐出される液滴は、その飛翔する軌道がばらつく。一方、液滴の通過する空間領域の気流速度場は既知だとしても、位置によらず一定に形成するのは難しい。つまり、複数時刻での液滴位置と、その複数の時刻の間に液滴が移動する軌道上の雰囲気気体の速度場を知るには、雰囲気気体の流れ場と液滴位置を３次元的に把握する必要がある。しかし、これは困難を伴う。
【００２４】
そこで、本発明では、既知の気流流れ場の所定の位置にシート状の光束を形成し、更にシート面内を飛翔するように液滴を吐出する。そして、飛翔軌道のばらつく液滴のうち、選択的にシート内を飛翔する液滴をのみを計測する。この方法だと、シート光の位置は決まっているので、液滴位置を２次元的に計測すれば良い。又、雰囲気流れ場も３次元ではなく、シート光の存在する２次元的に把握しておけば良い。
【００２５】
尚、本発明は計測を行う領域での気流が既知の層流になっていることが計測の必要条件である。つまり、計測開始前或は後の領域の気流が未知であったり、乱流であっても計測は可能である。
【００２６】
時定数τは、液滴が雰囲気気流流れと一致するまでに掛かる時間に関与する指数なので、液滴が気流の動きに一致して移動する段階で液滴位置を測定しても、式（２）からτを解くのには利用できない。つまり、液滴の気流流れ方向の速度が気流の速度と一致する前に、液滴の位置を測定しなければならない。よって、本発明では、液滴の動きが気流流れ場と一致する前に、液滴を複数回撮像し液滴の位置を測定する。
【００２７】
又、本発明では、撮像部の焦点はシート状の光束の光軸上に位置することを特徴とする。これにより液滴で散乱する光を効率良く撮像に利用できる。
【００２８】
又、本発明では、シート状の光束とともに、光束の進行方向とほぼ逆に進行する第２のシート状の光束を形成することを特徴とする。液滴に当り散乱する光の散乱位置と、液滴中心位置とは異なる。しかし、本発明のように第２のシート状の光束を形成すれば、シート光の進行方向と散乱光の位置及び撮像系の光軸位置から液滴の中心位置を精度良く計測できる。
【００２９】
更に、２つのシート状の光束をその光軸が互いにほぼ一致するように形成すれば、同一液滴からの散乱光位置の平均を取ることで液滴の中心位置を簡便に精度良く決定できる。
【００３０】
又、本発明では、光束のシート厚の最小位置が撮像領域に含まれていることを特徴とする。
【００３１】
光束のシート厚が絞られている部分ではエネルギー密度が高いので、液滴から散乱される光量もより大きい。よって、撮像部で、散乱光をよりＳＮ良くとらえることができ、測定精度の向上を図ることができる。
【００３２】
又、本発明では、先述した第２のシート状の光束は、第１の光束をミラーで反射させることで形成することを特徴とする。これにより複数のレーザーを使用しなくても済み、装置の簡素化、コスト低下を図ることができる。
【００３３】
又、本発明では、所定の間隔をおいて平行に配置した少なくとも２枚の平面板を平行方向に同じ回転軸にて回転することで、隣接平板間に既知の気流流れ場を形成し、該平面板の間の所定の位置に前記シート状の光束を該平面板に平行に形成することを特徴とする。
【００３４】
この気流生成法では、平板に平行な回転方向に支配的な気流流れ場が生じる。液滴は気流流れ方向、つまり平板の回転方向に力を受け移動していく。よって、シート状の光束が平板に平行であれば、液滴を複数回撮像する間にシート光束から液滴が外れる可能性が小さくなる。つまり、撮像した画像から液滴量を算出し易くなり、又、算出に使用できる画像の割合も増える。これは計測精度の向上、計測時間の向上に繋がる。
【００３５】
更に、本発明は、シート状の光束は隣接平板の中央に位置することを特徴とする。
【００３６】
本方法では、平板の面近傍の気流速度は平板の移動速度と一致するが、平板から離れるに従い気流速度は落ちる。つまり、平板間の空間で気流速度は一定ではない。そして、平板回転方向気流速度の平板間における勾配は、図２に示すように平板中央部は小さい。よって、シート状の光束を隣接平板の中央に配置することで、測定部での気流速度をより精度良く決めることができるとともに、飛翔する液滴軌道の安定性も高いため、計測精度の向上を期待できる。
【００３７】
更に、本発明は、液体吐出ヘッドの吐出液滴量測定方法を用いて、液体吐出ヘッドの各ノズルの特性を測定し、その測定値に基づいて、各ノズルで常に所定の液滴量での吐出が行われるようにヘッドの駆動制御を行う。これにより、液滴量が常に一定で、高品質な描画を可能とする液体吐出装置ができる。
【００３８】
更に、本発明は、液体吐出ヘッドの吐出液滴量測定方法を用いて、製造済みの液体吐出ヘッドの各ノズルの諸特性を測定し、そのデータを製造装置にフィードバックし、目標性能を得るべく製造パラメータの調整を行う。これにより、液滴量が一定で高品質な液体吐出ヘッドを効率良く生産することができる。
【００３９】
【発明の実施の形態】
［第１実施形態］
次に、本発明の第１実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００４０】
（１）構成の説明
図１は本発明の第１実施形態の液体吐出ヘッド１の液滴量測定装置の一例を示す概略構成図である。液滴量測定装置は、平行に配置された２枚のガラス円板２、カラー３、円板を収納する透明アクリルケース４、ＣＣＤカメラ５、観察系拡大レンズ６、レーザー７、整形レンズ８、ヘッド駆動制御系９、ディレイジェネレータ１０、画像取込み用のパソコン１１を備えている。
【００４１】
本実施の形態で用いた液体吐出ヘッド１（以下、ヘッドと略称）は、電気熱変換体により液滴に熱を加え、インクの一部を発泡させ、その発泡の作用力により、オリフィスプレートに開いたノズルからインクを吐出させるタイプのものである。ヘッド１のノズルの数は６４個から１４０８個まで様々なタイプが生産されているが、本実施の形態では１２８個のものを用いた。又、吐出液滴としてブラックインクを用いた。
【００４２】
平行に並べた２枚のガラス円板２を両円板の中心を同一の軸として同速度で回転し、速度が既知である層流気流場を作る。ガラス円板２は厚さ１ｍｍ、径は３インチで、回転軸をガラス円板と同一にする厚さ３ｍｍ、径６０ｍｍのカラー３を挟むようにして固定される。ガラス円板２はカラー３と共に、４００ｒｐｍの等速で回転する。
【００４３】
本実施の形態では、計測面を２枚のガラス板２の中間面としている。計測面での気流速度は、粒子像速度法（ＰＩＶ法）により計測され、ガラス円板平板方向の速度は、ｖ＝ｃＲωで表せることが確かめられている。ここで、ｃは定数、Ｒは回転中心からの距離、ωはガラスの回転角速度である。又、熱線流速計により計測領域の乱流強度の評価も行われ、計測領域に関しては十分層流になっていることが確かめられている。尚、計測面をガラス板２の中間面にする必要は必ずしもない。
【００４４】
しかし、平板間での気流速度勾配が中間面程小さいので、計測面をガラス板２の中間面にすることで、より高精度に気流速度の決定ができる。
【００４５】
又、ガラス円板２とカラー３は、生成気流の安定化のため透明アクリルケース４に収納されている。透明アクリルケース４の上面には穴があけられている。穴の中心軸は、２枚のガラス円板２の中央に位置している。
【００４６】
ヘッド１は透明アクリルケース４の上部に配置されており、計測対象のノズルから吐出された液滴はこの穴を通り、計測域である層流流れ場に入る。ヘッド１の位置出しは、ヘッド１を固定しているステージ類（不図示）によりなされる。
【００４７】
液滴の気流流れ方向の速度が気流の速度と一致する前に、液滴の位置を測定しなければならないため、液滴の軌道が大きく曲がる領域を観察できるように、ＣＣＤカメラ５、観察系拡大レンズ６から成る撮像系は位置合わせされる。尚、液滴の大きさが異なれば、時定数τが異なるため、液滴の通る飛翔軌道も変わる。よって、実際の計測を行う前にヘッド１から実計測時と同じ吐出条件で液滴を吐出させ、飛翔する液滴を撮像系で撮像しながら、撮像系を固定しているステージ類（不図示）を移動させることで撮像系の位置合わせを行う。
【００４８】
尚、撮像系の光軸がガラス円板２の面に垂直になるように配置される。又、撮像系の焦点は、ガラス円板２の中間面に一致するように位置合わせされる。
【００４９】
撮像部としては、露光時間０．１μｓからの多重露光が可能な、１２８０×１０２４画素を持つ１２ｂｉｔのＣＣＤカメラ６を接続して使用する。観察系拡大レンズ５としては、倍率１０倍の対物レンズを使用した。
【００５０】
レーザー７から出射されたレーザー光は整形レンズ８でシート状に整形され、計測域に導入される。整形レンズとしては、例えば複数のシリンドリカルレンズを使用する。レーザー７は、波長５３２ｎｍのＹＡＧ２倍高調波のＣＷグリーンレーザーで出力は２００ｍＷである。シート状の光は、ガラス円板２の回転軸方向に最小厚さが２０μｍまで絞られる。又、シート光の厚さが最小になる位置と、撮像域の中心とが一致するように整形レンズ８の位置が調整される。ガラス面と平行な方向にはレーザー光は拡大され、撮像域では２ｍｍ以上に調整される。又、シート光は、シートの中央面が、平行に位置する２枚のガラス円板の中間面に一致するように導入される。
【００５１】
ヘッド駆動制御系９はヘッド１とディレイジェネレータ１０に接続され、液滴吐出のための駆動信号を送信する。ディレイジェネレータの出力部はＣＣＤカメラ５のトリガ入力部と接続されている。又、ＣＣＤカメラ５は画像取込み用のパソコン１１と接続されている。
【００５２】
装置を設置している部屋は、温度は２５℃、相対湿度７０％に保たれている。
【００５３】
図３は本発明の実施の形態１の液滴の飛翔と雰囲気気体の乱れを示す説明図である。
【００５４】
本測定では、液滴の軌道が大きく曲がる領域を観察する。ヘッド１の吐出液滴の測定領域では、図３のように、液滴が移動することによる気流の乱れは、気流の流れ方向に飛散し、液滴の軌道上には残らないため、液滴が移動することで生じた雰囲気内の気体乱れが、次に、ヘッド１から吐出される液滴の移動に影響を与えることはないと考えられる。よって、雰囲気気体の粘性係数ηは、その気体固有の一定値と考えることができる。
【００５５】
ヘッド１の吐出液滴の測定では、ヘッド１の駆動、ディレイジェネレータ１０から発信し、ＣＣＤカメラ５へ送信する撮像開始信号、ＣＣＤカメラ５の露光のタイミングを図４に示すように制御した。
【００５６】
ヘッド駆動制御系９で作られたヘッド駆動信号により、ヘッド１は周波数１００Ｈｚで吐出駆動された。
【００５７】
又、ヘッド駆動信号はディレイジェネレータ１０に送信され、一定時間後にカメラにトリガ信号を出力する。尚、この出力周波数は８Ｈｚで、入力１００Ｈｚの信号を間引きして出力される。ヘッド１で駆動信号が印加されてから、その駆動により吐出された液滴が撮像エリアに到達するまでには、一定の時間が必要である。このヘッド駆動信号とカメラトリガ信号の時間差を調整するため、ディレイジェネレータ１０で遅延時間の調整がされる。
【００５８】
ＣＣＤカメラ５は、フレーム速度を８Ｈｚ、１回の撮影中に露光が４回行われる。１回の露光時間は１μｓ、露光と露光の間隔は２５０μｓに設定された。ＣＣＤカメラ５はトリガが入ると、１回目の露光を開始するように設定される。尚、露光時間長と露光時間間隔は、液滴画像が撮像されるように、測定エリアと液滴のスピード、又、液滴の大きさとシート光強度に応じて適宜調整されなければならない。これら機器のタイミング調整は、本測定前に、測定条件と同じ吐出条件で液滴を吐出し撮像を行いながらなされる。
【００５９】
ＣＣＤカメラ５で撮像された画像データは、パソコン１１に送られ、パソコン１１内部のメモリに記憶される。画像データは、実験後、メモリから読み出され、画像処理ソフトにより液滴の重心位置座標が算出される。尚、実験前に、規定の間隔の格子パターンを描いたガラス基板を測定領域に設置し、上記構成でＣＣＤカメラ５により撮像され画像が取得される。その画像上の画素単位での格子間隔と、ガラス基板上での実格子間隔とから、画像データの１画素が実空間でどれだけの長さに相当するかというキャリブレーションが行われる。このキャリブレーションデータは、パソコン１１のメモリに記憶され、画像処理により液滴重心位置が算出される際に用いられる。
【００６０】
（２）動作の説明
次に、本発明の実施の形態１の動作について詳細に説明する。
【００６１】
本実施の形態では、ＣＣＤカメラ５の露光ごとに液滴を反射した光が観察系拡大レンズ６に入射するので、図５に示すように１画像データには同一液滴の光像が、露光回数と同じ４点表示される。ここで、ｘ軸は水平軸、ｙ軸は垂直軸で両軸ともガラス円板２の回転軸に垂直である。尚、ヘッドや駆動法によって液滴の飛翔ルートがばらつき、撮影した画像全てで明瞭な液滴像が取れる訳ではない。画像処理により明瞭な画像を選択処理し、４つの光像重心位置を算出する。
【００６２】
次に、数値的に式（２）
τ・ａ＝ｖ　　　　…（２）
を解く。式（２）をｘ、ｙ軸方向に対して各々解くと、
ｘ＝ｆ（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、ｘ_０　、τ、ｔ）
ｙ＝ｆ（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、ｙ_０　、τ、ｔ）
ここで、Ｃ１〜Ｃ４は定数、時刻ｔ＝Ｔが撮像時の４回の露光タイミングの最初の時刻に対応し、ｔ＝Ｔでの液滴座標を（ｘ_０　、ｙ_０　）とする。ｔ＝Ｔ＋ｎ・Δｔでの液滴座標を（ｘ_０　＋ｘ_ｎ　、ｙ_０　＋ｙ_ｎ　）（ｎ＝１〜３）として上式に代入する。ｔ＝Ｔでの液滴座標（ｘ_０　、ｙ_０　）が未知だとしても、Δｔ時間内で液滴が移動する長さｘ_ｎ　、ｙ_ｎ　（ｎ＝１〜３）は、取得した液滴画像の液滴の座標位置の差であり、算出済みの光像重心位置から計算できる。
【００６３】
代入したことでできる式は８つ、未知数はＣ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、τ、ｘ_０　、ｙ_０　の７つなので、８つの連立方程式を解きτを算出する。次に、τ＝ｍ／６πηｒ＝２ｒ^２　ρ／９ηから液滴の半径ｒが算出できる。ここで、ρは液滴の密度で、本実施の形態で用いたブラックインクの密度値を用いる。ηは雰囲気気体の粘性係数で、気温２５℃の空気の粘性係数を用いた。
【００６４】
こうして算出された液滴径は約φ２０μｍになり、従来法によるインクタンクの液滴の減り量と吐出回数から求めた平均液滴径とほぼ等しい値になった。
【００６５】
尚、本実施の形態では、定速気流の雰囲気環境を、平行に配置した２枚のガラス円板２を回転させることで作り出したが、例えば風洞装置を使用する等の別方法も考えられる。更に、液滴の位置や速度を計測するにも、本実施の形態の方法のみならず、ハイスピードカメラの使用等、多種多様な手段を採用することができる。
【００６６】
本実施の形態では、更に、本発明の液滴量測定方法及び液滴量測定装置を利用することで、高精度なヘッドをより効率良く生産する方法を説明する。
【００６７】
工場で生産されたヘッドは、上記説明してきた液滴量測定方法及び液滴量測定装置により全ノズルの液滴量測定がなされる。そのデータはＬＡＮ等によりリアルタイムで工場の各製造工程部に送信される。
【００６８】
規格外の液滴量が計測された場合は、各工程内の検査結果と併せて解析され、不良原因の早期探索がなされる。例えば、或るヘッドの一部のノズルで液滴吐出量が規格以上に大きいという計測結果が得られると、そのヘッドノズルの径や、そのヘッドノズルに対応する熱変換素子の抵抗値が調べられる。そこで、例えば、液滴吐出量が規格以上に大きいノズルに対応するノズル径が、設計値よりも大きかった場合は、ノズル形成工程において製造パラメータの再チェックがなされ、設計値のノズル径が製造できるようにノズル形成工程の調整がなされる。こうした最終製品から各製造工程へ計測データのフィードバックを掛けることで、高精度なヘッドがより効率良く生産される。又、製品立ち上げ時の歩留まり向上を早めることができる。
【００６９】
［実施の形態２］
次に、本発明の実施の形態２について図面を参照して詳細に説明する。
【００７０】
（１）構成の説明
図６は本発明の実施の形態２のヘッド１の液滴量測定装置の一例を示す概略構成図である。本実施の形態が実施の形態１の構成と異なるところは、実施の形態１の構成に加えて、第２のレーザー７とレーザー７から出射される光を整形する整形レンズ８及びレーザー７と７の出射口の先にアイソレータ１２，１２を備えていることである。
【００７１】
レーザー７から出射された光は、アイソレータ１２を通過後、実施の形態１と同様に整形レンズ８でシート光に整形され、計測領域に導かれる。レーザー７から出射された光も同様にアイソレータ１２を通過後、整形レンズ８でシート光に整形され、計測領域に導かれる。ここで、両レーザー光とも光軸は水平で、ほぼ一致するように調整される。他の構成は実施の形態１と同様で、詳細は上述したので省略する。
【００７２】
（２）動作の説明
実施の形態１と同様に調整を行い、液滴の画像を撮影する。
【００７３】
本実施の形態で得られる画像の一例を図７に示す。水平方向に対抗して進行する２つのレーザー光が液滴に当り反射する光を撮影しているため、図７のように１回の露光で１つの液滴から２つの水平に並ぶ光像が得られる。得られた画像において、この２つの光像間の重心位置を画像処理で算出する。その重心位置を、各露光時の液滴位置とする。
【００７４】
本実施の形態では、吐出液としてブラックインクを用いているが、ブラックインクはレーザー光を透過しないので撮像系に入る光は、液滴の表面で反射した光だけである。
【００７５】
一方、水や透明インク等はレーザー光を透過するので、撮像系には液滴表面で反射した光だけでなく、内面で反射した光も入射する。よって、透明インク等の計測の場合は、１回の露光で１つの液滴から２つ以上の輝点が見える。この場合も１回の露光で１つの液滴から得られる複数光像間の重心位置を画像処理で算出し、その位置を各露光時の液滴位置とする。
【００７６】
尚、本実施の形態では、両シート光とも光軸は水平でほぼ一致するようにしたが、光軸は一致しなくても計測は可能である。この場合、各シート光が液滴に当り得られる光像の重心を画像処理により算出する。そして、図８のように、各シート光軸の方向に、そのシート光により得られた光像の重心位置を延長し、互いに交わる位置を液滴位置とすれば良い。
【００７７】
他の処理は実施の形態１と同様であるので、詳細は省略する。
【００７８】
［実施の形態３］
次に、本発明の実施の形態３について図面を参照して詳細に説明する。
【００７９】
（１）構成の説明
図９は本発明の実施の形態３のヘッド１の液滴量測定装置の一例を示す概略構成図である。本実施の形態が実施の形態１の構成と異なるところは、実施の形態１の構成に加えて、アイソレータ１２と整形レンズ１３、反射ミラー１４を備えていることである。
【００８０】
レーザー７から出射された光は、アイソレータ１２を通過後、実施の形態１と同様に整形レンズ８でシート光に整形され、計測領域に導かれる。レーザー光軸上には、ケース４に対してレーザー７とは反対側の光軸上に、整形レンズ１３と反射ミラー１４が設置されている。
【００８１】
図１０に本実施の形態で整形されたシート光をヘッド側から見た概略図を示す。ケース４を出たレーザー光は、整形レンズ１３で１点に縮小され、反射ミラー１４のミラー面で焦点を結ぶ。反射ミラー１４で反射したシート光は、再度整形レンズ１３を通過し、計測域で平面ガラス回転軸方向のシート光厚は極小になり、ケース４の外へ出ていく。
【００８２】
他の構成は実施の形態１と同様で、詳細は上述したので省略する。
【００８３】
（２）動作の説明
吐出液がブラックインクの場合、実施の形態２と同様の画像が得られる。得られた画像から液滴位置を決定し、更に液滴量を求める動作は実施の形態２と同様なため、詳細は省略する。
【００８４】
［実施の形態４］
次に、本発明の実施の形態４について図面を参照して詳細に説明する。
【００８５】
（１）構成の説明
図１１は本発明の実施の形態４の液滴量測定機能を備えた液体吐出記録装置の構成を示す概略斜視図である。液体吐出記録装置は、印字領域部１５、液滴量測定機能を備えたヘッド計測領域部１６、材料搬入口１７、搬送機構１８、パソコン１９、シャッタ２０を備えている。
【００８６】
（２）動作の説明
次に、本発明の実施の形態４の動作について図１１及び図１２を参照して詳細に説明する。
【００８７】
本実施の形態では、液滴量測定機能を備えた液体吐出記録装置について説明する。
【００８８】
液体吐出記録装置の記録媒体には、紙やＯＨＰシート等の民生用品、例えばカラーフィルタ基板等の産業用品等の多数種の媒体が挙げられるが、本実施の形態ではカラーフィルタ向けガラス基板を対象とする。液体吐出記録装置には、印字領域部１５とヘッド計測領域部１６が別々に存在する。記録媒体であるガラス基板は、材料搬入口１７より出し入れされる。
【００８９】
液体吐出記録装置の電源投入直後や一定時間ヘッド駆動がなされた後、或はユーザがヘッド計測の指示を液体吐出記録装置に入力した場合、ヘッドが搬送機構１８によりヘッド計測領域部１６に運ばれる。尚、全ての制御はパソコン１９と接続している制御部（図示略）で行われる。ヘッドが移動する際には、シャッタ２０が開閉される。
【００９０】
図１２のフローチャートにおいて、液滴量の計測処理が開始され（ステップＳ１）、ヘッドをヘッド計測領域部１６の液滴量測定位置に移動した後（ステップＳ２）、ヘッドの駆動対象となるノズルを選択し（ステップＳ３）、その選択されたノズルから吐出される液滴量を計測する（ステップＳ４）。そして、液滴量が規格値内か規格値外を判定する（ステップＳ５）。
【００９１】
液滴量が規格値外の場合は、駆動パラメータの調節を行った後（ステップＳ６）、再度、液滴量を計測する（ステップＳ４）。この場合、駆動パラメータの調整とは、例えば、計測された液滴量が規格値より小さければ駆動電圧をより大きくし、逆に計測された液滴量が規格値より大きければ駆動電圧を小さくする、というものである。駆動パラメータの調整と液滴量計測は、液滴量が規格値内になるまで繰り返し行われる。
【００９２】
こうして決定された駆動パラメータは、制御器内のメモリに書き込まれる（ステップＳ７）。この動作を全てのノズルに対して行った後（ステップＳ８）、ヘッドを印字位置に移動させる（ステップＳ９）。ヘッドによる印字を行う時には、上記方法で決定された駆動パラメータによりヘッド駆動がなされる。
【００９３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば以下のような効果が得られる。
【００９４】
素性が既知の雰囲気気流に流される液滴の位置を計測し、液滴量を算出することで、液滴１滴１滴の液滴量測定が可能となる。
【００９５】
又、液滴が移動することによって生じる気体の乱れが雰囲気の強制気流により気流の下流方向に拡散されるので、次に続く液滴に影響を与えることはない。従って、液体吐出ヘッドの液滴吐出周波数が高周波数の液滴吐出時でも、液体吐出ヘッドの液滴吐出周波数が低周波数の液滴吐出時と同様に液滴量測定を行うことができる。
【００９６】
又、本発明では、照明にシート光を用いており、シート光の存在する領域の気流速度は既知である。よって、飛翔軌道のばらつく液滴の体積を計測する場合も、シート光上に飛翔する液滴を選択的に計測することで精度良く計測ができる。
【００９７】
そして、本発明の液滴量測定方法により得られるデータをヘッドの開発過程で利用することで、より高品位な液体吐出ヘッドの開発を迅速に行うことが可能となる。
【００９８】
又、本発明の液滴量測定方法により得られたデータから、吐出特性を補正するよう駆動パラメータを調整し、吐出を行うことで、より高品位な液体吐出装置（インクジェットプリンタ）を提供することができる。それにより、従来の民生向けのインクジェットプリンタとしての用途だけではなく、より高精度、高信頼性を必要とするカラーフィルタ製造等、産業用途向けとしての製造装置を提供することができる。
【００９９】
更に、製造した液体吐出ヘッドを本発明の液滴量測定方法で測定し、そのデータを製造装置にフィードバックすることで、液体吐出ヘッドの生産時における良品率を効率良く上げることができ、製造コストを低減することもできる。
【０１００】
更に、本発明の液滴量測定方法を使えば、液体吐出ヘッドの吐出液滴に限らず、微小液体、微小固体の大きさを計測することが可能であり、例えば球状粉体や噴霧滴の量測定が可能と考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の液体吐出ヘッドの吐出液滴量を計測するための液滴量測定装置の構成例を示す概略構成図である。
【図２】平板間の平板回転方向の気流速度分布とシート光を示す説明図である。
【図３】液滴の飛翔と雰囲気気体の乱れを示す説明図である。
【図４】本発明の実施の形態１のヘッド駆動、ディレイジェネレータの発信信号、カメラ露光を示すタイミング図である。
【図５】本発明の実施の形態１の撮像した液滴撮像光像の一例を示す説明図である。
【図６】本発明の実施の形態２の液体吐出ヘッドの吐出液滴量を計測するための液滴量測定装置の構成例を示す概略構成図である。
【図７】本発明の実施の形態２の撮像した液滴撮像光像の一例を示す説明図である。
【図８】本発明の実施の形態２の液滴位置の決定方法を説明するための液滴撮像光像とシート光軸及び算出される液滴中心を示す概略説明図である。
【図９】本発明の実施の形態３の液体吐出ヘッドの吐出液滴量を計測するための液滴量測定装置の構成例を示す概略構成図である。
【図１０】本発明の実施の形態３のヘッド側から見たシート光の概略形状図である。
【図１１】本発明の実施の形態４の液滴量計測機能を備えた液体吐出装置の構成例を示す斜視図である。
【図１２】本発明の実施ま形態４の液滴量測定時の動作手順を示すフローチャートである。
【図１３】従来例の液滴の着弾状態を示す説明図である。
【符号の説明】
１　　　　　　　ヘッド
２　　　　　　　平面ガラス円板
３　　　　　　　カラー
４　　　　　　　ケース
５　　　　　　　ＣＣＤカメラ
６　　　　　　　レンズ
７，７’　　　　レーザー
８，８’　　　　整形レンズ
９　　　　　　　ヘッド駆動制御系
１０　　　　　　ディレイジェネレータ
１１　　　　　　パソコン
１２，１２’　アイソレータ
１３　　　　　　整形レンズ
１４　　　　　　反射ミラー
１５　　　　　　印字領域部
１６　　　　　　ヘッド計測領域部
１７　　　　　　材料搬入口
１８　　　　　　搬送機構
１９　　　　　　パソコン
２０　　　　　　シャッタ

Claims

既知の気流流れ場の所定の位置にシート状の光束を形成し、該光束のシート面内を飛翔するように液滴を吐出し、前記液滴の動きが前記気流流れ場と一致する前に、前記液滴に前記光束が当り散乱する光を複数回撮像し、その撮像された画像から算出される液滴位置と、撮像したタイミング及び流れ場の気流の速度から前記液滴の液滴量を算出することを特徴とする液体吐出ヘッドの液滴量測定方法。
前記撮像の撮像部の焦点は前期光束の光軸上に位置することを特徴とする請求項１記載の液体吐出ヘッドの液滴量測定方法。
前記シート状の光束とともに、前記光束の進行方向とほぼ逆に進行する第２のシート状の光束を形成することを特徴とする請求項１又は２記載の液体吐出ヘッドの液滴量測定方法。
前記２つのシート状の光束の光軸は、互いにほぼ一致することを特徴とする請求項３記載の液体吐出ヘッドの液滴量測定方法。
前記シート状の光束のシート厚の最小位置が撮像領域に含まれていることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の液体吐出ヘッドの吐出液滴量測定方法。
前記第２のシート状の光束は、第１の光束をミラーで反射させることで形成することを特徴とする請求項３〜５の何れかに記載の液体吐出ヘッドの液滴量測定方法。
所定の間隔をおいて平行に配置した少なくとも２枚の平面板を平行方向に同じ回転軸にて回転することで、隣接平板間に前記既知の気流流れ場を形成し、該平面板の間の所定の位置に前記シート状の光束を該平面板に平行に形成することを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の液体吐出ヘッドの液滴量測定方法。
前記シート状の光束は前記隣接平板の中央に位置することを特徴とする請求項７記載の液体吐出ヘッドの液滴量測定方法。
前記請求項１〜８の何れかに記載の液滴量測定方法を用いて液体吐出ヘッドの各ノズルの特性を測定し、その測定値に基づいて、各ノズルで常に所定の液滴量での吐出が行われるようにヘッドの駆動制御を行うことを特徴とする液体吐出ヘッドの検査システム。
前記請求項１〜８の何れかに記載の液滴量測定方法を用いて液体吐出ヘッドの各ノズルの特性を測定し、その測定値に基づいて、各ノズルで常に所定の液滴量での吐出が行われるようにヘッドの駆動制御を行うことを特徴とする液体吐出装置。
前記請求項１〜８の何れかに記載の液滴量測定方法を用いて製造済みの液体吐出ヘッドの各ノズルの諸特性を測定し、そのデータを製造装置にフィードバックし、目標性能を得るべく製造パラメータの調整を行うことを特徴とする液体吐出ヘッドの製造システム。
前記請求項１〜８の何れかに記載の液滴量測定方法を用いて製造済みの液体吐出ヘッドの各ノズルの諸特性を測定し、そのデータを製造装置にフィードバックし、目標性能を得るべく製造パラメータの調整を行う製造システムで製造されることを特徴とする液体吐出ヘッド。
既知の気流流れ場の所定の位置にシート状の光束を形成する光束生成手段と、該光束のシート面内を飛翔するように液滴を吐出し、前記液滴の動きが前記気流流れ場と一致する前に、前記液滴に該光束が当り散乱する光を複数回撮像する撮像手段と、その撮像された画像から算出される液滴位置と、撮像したタイミング及び流れ場の気流の速度から前記液滴の液滴量を算出する測定手段と、を備えることを特徴とする液体吐出ヘッドの液滴量測定装置。
前記撮像の撮像部の焦点は前期光束の光軸上に位置することを特徴とする請求項１３記載の液体吐出ヘッドの液滴量測定装置。
前記シート状の光束とともに、前記光束の進行方向とほぼ逆に進行する第２のシート状の光束を形成する手段を備えることを特徴とする請求項１３又は１４記載の液体吐出ヘッドの液滴量測定装置。
前記２つのシート状の光束の光軸は、互いにほぼ一致することを特徴とする請求項１５記載の液体吐出ヘッドの液滴量測定装置。
前記シート状の光束のシート厚の最小位置が撮像領域に含まれていることを特徴とする請求項１３〜１６の何れかに記載の液体吐出ヘッドの吐出液滴量測定装置。
前記第２のシート状の光束は、第１の光束をミラーで反射させることで形成することを特徴とする請求項１５〜１７の何れかに記載の液体吐出ヘッドの液滴量測定装置。
所定の間隔をおいて平行に配置した少なくとも２枚の平面板を平行方向に同じ回転軸にて回転することで、隣接平板間に既知の気流流れ場を形成する手段を備え、該平面板の間の所定の位置に前記シート状の光束を該平面板に平行に形成することを特徴とする請求項１３〜１８の何れかに記載の液体吐出ヘッドの液滴量測定装置。
前記シート状の光束は、記載の隣接平板の中央に位置することを特徴とする請求項１９記載の液体吐出ヘッドの液滴量測定装置。