JP2005041183A - 液体収容容器 - Google Patents

Abstract

【課題】 コストが安くかつ動作が安定したインクの残量を検出できるインクタンクを提供する。
【解決手段】 インクタンクのプリズム２０は液室に液体が存在しないときには外部から入射した光を外部へ反射するが、液室に液体が存在する場合は外部から入射した光を外部へ反射しない機能を有し、かつ、一辺40mmの正方形断面をもち厚さ1.7mmの直方体の光学特性をJIS K7136に従った規格で測定したときに全光線透過率が80%以上でありヘイズ値は75%以上85%以下であることと同等の光学特性を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明はインク等を収容する液体収容容器の構造に関し、特に、インクジェット方式に従って記録を行なう記録ヘッドと該記録ヘッドにインクを供給するインクタンクとを含むカートリッジを搭載する記録装置の該インクタンクに関する。

従来より、インクなどの液体を収容するインクタンク（液体収容容器）のインク残量、或いはインクの有無を検出する方法として、光学的にインクの存在を検出する方法が知られている（例えば特許文献１参照）。特許文献１には、吸収体や発泡剤などの負圧発生部材を有するインクタンクのインク残量検知を行うために、透過性のインクタンク壁面の一部を通して光を通過させ、その壁面と負圧発生部材との境界部の光反射率の変化を検知する方法を使用したインクジェット記録装置が開示されている。

また、特許文献２はインクタンクと同一材料により形成された光透過性部材によって形成され、インクとの界面が光路に対して所定の角度を有する光学的インク検出部を備えたインクタンクを開示している。

さらに、特許文献３は、発光素子と受光素子を使った一組の光センサによってインクの有無とインクタンクの有無とを検出することが可能なインクジェット記録装置を開示している。

さらに特許文献４では、インクタンクを構成する壁の一つでインクと接する位置に、所定の角度をなす２つの斜面部を有する部材を配置し、この２つの斜面部により、インクの無い状態とある状態とでインクタンクの外部から照射された光を外部へ反射する量を異ならせることでインク量検知を確実なものとした。

前述の2つの斜面部はインクが無い場合、いわゆるプリズムとして光学的に機能するものであるので以下では便宜的にプリズム部と呼称し、このプリズム反射を使ったインク量検知システム全体を以下では便宜的にプリズム検知機構と呼称する。

図７はプリズムを搭載したインクタンクの従来の実施例であり、図（Ａ）は全体構成を示す断面図、図（Ｂ）は図（Ａ）中のＡ−Ａ線断面図である。

このインクタンクは、負圧発生部材１１を収容するとともに液体供給口１２と大気連通部１３とを備える負圧発生部材収容室１４と、その負圧発生部材収納室１４と連通する連通部１５を備えるとともに実質的な密閉空間を形成する液体収容室１７とを有する液体収容容器であって、液体収容室１７に収容された液体１６の有無を検出するプリズム２０を持つ。

この図７のプリズムによるプリズム検出機構について、図８を参照して詳細に説明する。

図８はインクタンクの底面に設けられた光透過型プリズムとそのプリズムに光を照射する発光素子及びその光を受光する受光素子の位置関係を示す図である。

図８に示すようにプリズム２０はインクタンクの底面２１とモールド一体成形に設けられている。インクタンクの基本肉厚は1.7mmから2.0mmであるが、プリズム２０の断面形状は９０°の角度をなす頂点がインクタンクの内部に高さ3.2mmで突出している（図７（Ｂ））。

プリズム２０にインクタンクの外部下方から発光素子２２からの光が入射する。

さて、プリズム２０の表面にインクが接するようにインクタンクの内部にインクが充分に充填されている場合にはプリズム２０への入射光は、光路(1)→光路(2′)という経路を辿り、インク内に吸収されてしまい受光素子２３には返ってこない。これに対して、プリズム２０の表面にインクが接しなくなるまでインクタンク内のインクが消費された場合、図８に示すように、その入射光はプリズム２０のインクとの界面になる斜面で反射され、光路(1)→光路(2)→光路(3)を経て受光素子２３へと至る。このように、発光素子２２から照射された光が受光素子２３に返ってくるか否かでインクの有無を検出する。

なお、発光素子２２、受光素子２３は通常、記録装置本体側に設けられる。

また実際の系では、バックグラウンド光の影響などを考慮し、閾値を設けてその値を超えているか否かで判定することが一般的に行われている。

以上説明したプリズム検出機構は低コストでインクタンク内のインクのレベルまたはインクの有無を検出する方法としては極めて合理的な方法であると言える。
特開平8-112907号公報 特開平7-218321号公報 特開平9-29989号公報 特開2002-321388号

しかしながら、近年インクジェット記録装置においてより高品質かつ廉価な製品が求められてきている。

前述のようなプリズム検出機構を含むインク量検出手段は時々発生するインク切れを警告するものであり、印刷品位や印字速度といった記録装置の基本性能そのものを決定するものでない。しかしながら、この機構があることによって、インク切れが原因の印刷のやり直しによるインクや紙の無駄や時間の無駄使いをなくす効果は絶大である。

その結果、ユーザーにおいてインク量検出機構の重要性の認知と支持を得てきている。

一方で精密な機構が必要になることや、部品点数が増加するため製造工程の品質を上げる必要があり、記録装置やインクタンクの製造コストに少なからず影響しているのも事実である。以下、この問題について詳細に説明する。

通常、発光部と受光部は一つの一体的な部品で市販されているが、独立した部品を組み合わせた光センサーユニットでも構わない。

いずれにしても、受光部と発光部は一定の間隔で固定されており、これを便宜的に光センサーのレンズ間隔と呼ぶことにする。

図９に示すようにインクタンクのプリズムにおける二つの斜面のうち第一の斜面３１は発光部２２から発せられた光に対して４５°の角度で対向し、第二の斜面３２は第一の斜面に対して９０°の角度であり、かつ受光部２３に対して４５°の角度で対向する。

発光部２２から発射された光は第一の斜面３１を９０°の角度で反射し第二の斜面３２に到達するが、第一の斜面３１における反射部３６からプリズムの頂点を二等分した線３５の交点までの距離３３と、第二の斜面３２における光の反射部３７からプリズム頂点を二等分した線であるプリズム中心線３５と直角に交わる交点までの距離３４とは可能な限り等しいことが重要である。

センサーの発光部２２からプリズム２０を通りセンサーの受光部２３までの理想的な光の経路を光軸と呼称する。

図１０は光の経路（光軸）の中心が、プリズム中心線３５からオフセット量（ズレ量）４１で右にズレた場合である。このズレは意図的に発生するものでなく、センサーの部品精度や取り付け精度、インクタンクの取り付けから派生するプリズムの位置精度や取り付け精度で、避けられないズレである。

図１０に示すように、光軸にズレが発生することにより発光部２２から発射した光は、受光部２３の光軸を離れてしまう。理論的にこのような三角プリズムの場合、受光部の光軸のズレ量４２はズレ量４１の２倍になる。

よって、受光部２３が効率よく光を受けるために、レンズ間隔３０の中間の軸は、より正確にプリズム中心線３５に配置させる必要がある。

図１１は前述に説明したセンサーのズレ量と受光センサーに到達する光の強度分布の関係について説明している。

この図によれば、オフセットが0、つまりセンサーの光軸とプリズムの中心との関係が完全に合致している場合、光の反射強度はインク有無判定の閾値よりも非常に高いところにある。

しかし、ズレが生じるにしたがって受光量は急速に落ちてしまい、図１１のa部およびb部に至るズレにおいては閾値を下回る結果、インクの有無を正しく判断できなくなってしまう。

インクタンクはインクジェット記録装置の動作部分、とりわけキャリッジに搭載されている場合が非常に多いため、精度の高い位置合わせが必要になる。

さらにプリズム位置はインクタンクのインクジェット記録装置に対する位置決め位置から精度良く出来上がっている必要がある。

さらに光学的に精密なプリズムのために精密な形状が必要である。

これら要求を満たすために、各部品や機構の組み立て精度が厳しく要求されまた品質確認も重要になるが高額になることは避けられない。

小型化が進む近年のインクジェット記録装置においてインクタンク中のプリズムが占有できる大きさは極めて狭く、このため多角形のプリズムの場合は一辺が極めて狭くなり実質的に三角プリズムの場合よりも光軸に対するズレの許容量は現実的には小さくなってしまう。

大部分のインクジェット記録装置用のインクタンクは比較的廉価なプラスチック製であり一般的な射出成形で作られる。射出成形ではこのような複雑な形態の光学プリズムを精度良く作ることは非常に困難である。何故ならプリズム部は他の部分の肉厚よりも大きいため、このことはプラスチックの射出成形法にとっては樹脂の成形後収縮が原因のヒケを生じさせる。ヒケは表面形状を歪（いびつ）にするためプリズムの光学的機能を劣化させてしまう結果になる。

ヒケを防止するために、一般的には成形品に肉ニゲと呼ぶ空間を設けるが、肉ニゲを設ける場所は光学経路から外す必要があるので自由な設計ができない。

一部のファインプラスチックは成形収縮が少なく、肉ニゲがなくとも前述のヒケの問題を回避できる材料として選定できるが、材料単価が非常に高い。

さらにプラスチック選定にあたっては、インクに対する化学的安定性も含めて考慮する必要があるため材料選択は非常に限られてくる。

発明者の知見によればインクジェット用交換型インクタンクにおいて廉価性と化学的安定性および成形性のバランスが高くかつ光を通す材料としてオレフィン系が最有力である。

さらに、射出成形と機械的剛性を考慮すればポリプロピレン樹脂が最も適していることになる。

また、別の手段としてインクジェット記録装置との光軸のズレが発生しても十分に光量が確保できるように発光量を増やす試みも行った。

しかしながら、図１２に示すように無闇に発光量を増加するとインクが存在する場合においてタンク内部の乱反射などでバックグラウンド反射量７０の増加を起こしてしまい、受光部に到達してしまい「インク無し」と誤判断されるエラー領域７１が発生してしまう。

前述のように、ユーザーフレンドリーなインクジェット記録装置を構築するにはインクタンクのインクの残量を検出する機構を組み込むことが不可欠であり、コストと信頼性の関係からプリズムを用いた光学残量検知機構が優れている。

しかしながら、プリズムを用いた光学残量検知機構は高い精度が要求されるため部品点数が増加したり、品質の管理を十分行う必要があり、これ以上のコストダウンが困難であった。

本発明は以上のプリズム残量検知機構を構築するために従来コストアップになる問題点に対して考案されたものであり、コストが安くかつ動作が安定したインクの残量を検出できるインクタンク（液体収容容器）を提供できる結果、ユーザーに対してより廉価なインクジェット記録装置を提供することを目的としている。すなわち、インクジェット記録ヘッドにインクを供給し、残量検知のための光学反射機構を持った交換可能なインクタンクにおいて、廉価で信頼性の高い残量検知のインクタンクを提供することを目的する

上記目的を達成するために本発明は、液体を収容する液体収容容器であって、該液体収容容器を構成する壁に前記液体収容容器の内部に収容された液体を外部へ供給するための液体供給口を有するとともに光学部材を有し、
該光学部材の一部は、該液体収容容器の液体収容室内部に面しており、該液体収容室に液体が存在しないときには外部から入射した光を外部へ反射するが、前記液体収容室に液体が存在する場合は外部から入射した光を外部へ反射しない機能を有し、かつ、一辺40mmの正方形断面をもち厚さ1.7mmの直方体の光学特性をJIS K7136に従った規格で測定したときに全光線透過率が80%以上でありヘイズ値は75%以上85%以下であることと同等の光学特性を有することを特徴とする。

上記の液体収容容器において、前記光学部材は、前記液体収容容器と一体的に成形されたものである。

前記光学部材は２つの反射面部をもつ部材である。

前記光学部材の表面を非鏡面処理することで本発明の光学特性を発揮することが好ましい。

前記光学部材の表面に光分散シートを貼り付けることで本発明の光学特性を発揮することが好ましい。

前記光学部材は透明化剤を含有しないオレフィン系樹脂材料であることが好ましい。

上記の発明によれば、光センサの発光部から照射した光を光学部材で散乱させつつ反射して光センサの受光部に入射するような、緩やかな光強度変化特性（図２）の光学部材になるため、発光部から光学部材を通り受光部までの一義的に決まる光の経路（いわゆる光軸）が部品精度や取り付け精度の影響でズレても、光センサと液体収容容器の位置合わせ精度が緩和される。これにより、より確実に液体残量の検知が可能となり、またコストをかけて位置合わせのための精度向上を行う必要がなくなる。

本発明によれば、光学センサから照射した光を光学部材で散乱させることにより、光学センサと液体収容容器の光学部材の光軸とが合致しなくとも、液体収容容器の残量有り無し検知を十分行えるようになる結果、部品やシステムの簡略化が図ることができ、廉価で信頼性の高い残量検知のインクタンクを供給することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。本実施形態のインクタンクの構成は図７を参照して前述したものと同様とし、その説明は割愛し、本発明の特徴たるプリズムの構成を主に説明する。

（第一の実施の形態）
表１に、本発明の第一の実施の形態であるインクタンクおよびプリズムを構成する材料の光学的特性と、従来のインクタンクを構成する材料の光学的特性と、それぞれのプリズム寸法を示す。

JIS K7136に従った測定であるが、プリズム部の材料は形状的に測定が困難であるため、一体成形であるインクタンクの壁部分（厚さｔ=1.7mm）について測定したものである。

本実施形態に用いた材料の特徴として光透過性は高いもの、内部で散乱しやすい樹脂であることがわかる。

この実施形態が、課題を解決する手段として有効となる原理を以下に説明する。

図１は本発明の第一の実施の形態によるインクタンクのプリズム内を行く光の様子を示す。この図に示すように、プリズム内部に入った光は適当に散乱光８０が発生することにより、光の強度は小さくなるが広い領域に分散する。その結果、プリズム反射の使用可能領域が増えることとなる。

図２は従来の透明性の高い材料の場合と本実施形態における材料でできたプリズムの特性の比較を示す。図中の「閾値」とはインク有り無しを判定する反射光強度である。

従来は透明化剤を含有したオレフィン系樹脂材料であり、本実施形態の材料は透明化剤を含有しないオレフィン系樹脂である。

インクなしの場合に認識できる光軸のズレについて従来の許容値８２と本実施形態の許容値８１に示す。

図２から分かるように、本実施形態の特性をもったプリズムの特徴は光学センサとプリズムの光軸のズレに対して光の強度変化が緩やかな結果、より広い範囲でインクの残量を検出できるということがわかる。

発明者の検討によれば、プリズム材料の、一辺40mmの正方形断面をもち厚さ（高さ）1.7mmの試験片の光学特性であるプリズム特性として、くもりの度合い示すヘイズ値（Hａｚｅ値）が90%以上ではセンサーに届く光の強度が極端に弱くなってしまう。この場合、インク有無判別の閾値を下げてやればよいがセンサー発光光線以外のバックグラウンド光を拾いやすくなり誤動作を起こしてしまう場合がある。

また極端にヘイズ（Haze）値を上げてしまうと、外から目視でインク容量を確認できないという欠点もでてくる。目視によるインク量の確認は本発明と直接関係ないが、装置による残量検知のみならず実使用において使用者が自らの目にて確認できることは、信頼性を確認できる重要な要素である。

またヘイズ値が70%以下では光の散乱が少なく、前述の図８に示したような従来のプリズムの特性に近づいてしまう。したがって、ヘイズ値は70%を越え90%未満であり、望ましくは75%以上85%以下であることが必要である。

さらに全光線透過率は75%以下の場合、光そのものがプリズム内部で吸収されてしまうので望ましくは80%以上必要である。

（第二の実施の形態）
図３は本発明の第二の実施の形態によるインクタンクのプリズム内を行く光の様子を示す。

第二の実施の形態では、プリズムを構成する材料自体の透明度を従来の値（例えばヘイズ値27%）に維持したまま、光を分散させる一例を示す。

この実施形態ではプリズム２０の表面１００，１０１，１０２の平滑度を意図的に下げ、光を分散させようとするものである。プリズム２０をプラスチックの射出成形で作製するのであれば、金型の設計で表面で光を分散させるような形状ができる。非鏡面処理を施して粗い面とする箇所はプリズム２０の２つの斜面である表面１００，１０１と、少なくともプリズム２０の形成箇所に対応するインクタンク壁の表面１０２とである。

同じ表面処理を施した一辺40mmの正方形断面をもち厚さ1.7mmの試験片の光学特性をJIS K7136に従った規格で測定したとき、全光線透過率が80%以上でありHaze（ヘイズ）値は75%以上85%以下である特性に等価なプリズム部を作製すれば、第一の実施の形態と同等の効果が得られる。さらに金型の形状で光の分散を制御するので、設計的な調整が容易であるという利点もある。

（第三の実施の形態）
図４は本発明の第三の実施の形態によるインクタンクのプリズム内を行く光の様子を示す。

この実施形態ではインクタンクの底面２１の、少なくともプリズム２０に対応する箇所に、光を分散する光分散シート１１１が配置されている。インクタンクの基本的な構造は従来のもの（図７参照）と変わらず、プリズム２０に対して貼り付ける光分散シート１１１を、発光部２２および受光部２３のセンサーの種類や感度、またはインク有無判別の閾値に応じたシートを選択することにより微調整が可能である。

このようなシートを貼り付けた一辺40mmの正方形断面をもち厚さ1.7mmの試験片の光学特性をJIS K7136に従った規格で測定したとき、全光線透過率が80%以上でありHaze値は75%以上85%以下である特性に等価なプリズム部を作製すれば、第一の実施の形態と同等の効果が得られる。

この実施形態は例えば少品種生産に向いており、さまざまなインクタンクに対するカスタマイズが短期間の準備期間で可能であるという利点を有する。

（第四の実施の形態）
図５は本発明の第四の実施の形態によるインクタンクのプリズム内の光の様子を示す。

この実施形態ではプリズム６０は従来の三角形ではなく４面の光学反射部を有する。プリズム６０は、一辺40mmの正方形断面をもち厚さ1.7mmの試験片で、その光学特性をJIS K7136に従った規格で測定したとき、全光線透過率が80%以上でありHaze（ヘイズ）値は75%以上85%以下であるような材質にする。

たとえば、光学反射部の機械的強度を必要とする場合、有効である。

以上のように、実施形態の説明において、便宜上、一辺40mmの正方形断面をもち厚さ1.7mmの試験片における光学特性をJIS K7136に従った規格で測定したときの数値で、光学反射部であるプリズム部の光学特性を特徴付けてきた。これは全光線透過率またはヘイズ値（Hａｚｅ値）が、材料の厚さで左右されるからである。

したがって、選択した材料が本発明の材料と同等であることを、一辺40mmの正方形断面をもつ厚さ1.7mmの試験片を成型して確認すればよい。

一方、発明者は、本発明の材料について、さまざまな厚さの一辺40mmの正方形断面をもつ試験片でも同様な検証を行っている。

なお、図６に示すように、本発明の材料である場合、厚さの変化に応じて全光線透過率とヘイズ値は一定の傾向で推移することがわかる。

本発明の第一の実施の形態によるインクタンクのプリズム内における光の様子を説明する図である。 本発明の第一の実施の形態におけるプリズム特性の説明図である。 本発明の第二の実施の形態によるインクタンクのプリズム内における光の様子を説明する図である。 本発明の第三の実施の形態によるインクタンクのプリズム内における光の様子を説明する図である。 本発明の第四の実施の形態によるインクタンクのプリズム内における光の様子を説明する図である。 本発明の材料の厚さを変えた場合の、JIS K7136による光学特性変化を示すグラフである。 プリズムを搭載したインクタンクの従来構成例を示す図である。 従来構成によるプリズムとセンサーの関係を説明する図である。 従来構成のプリズムでのインク量検知を説明する図である。 従来構成のプリズムでのインク量検知の問題点を説明する図である。 光軸のズレ量と受光センサーに到達する光の強度分布の関係を示すグラフである。 発光量を増加した場合の不具合を説明する図である。

符号の説明

２０ プリズム
２１ インクタンクの底面
２２ 発光部
２３ 受光部
６０ プリズム
８０ 散乱光
８１ 実施例のズレ許容値
８２ 従来のズレ許容値
１００、１０１、１０２ プリズムの表面
１１１ 光分散シート

Claims (6)

1. 液体を収容する液体収容容器であって、該液体収容容器を構成する壁に前記液体収容容器の内部に収容された液体を外部へ供給するための液体供給口を有するとともに光学部材を有し、
   該光学部材の一部は、該液体収容容器の液体収容室内部に面しており、該液体収容室に液体が存在しないときには外部から入射した光を外部へ反射するが、前記液体収容室に液体が存在する場合は外部から入射した光を外部へ反射しない機能を有し、かつ、一辺40mmの正方形断面をもち厚さ1.7mmの直方体の光学特性をJIS K7136に従った規格で測定したときに全光線透過率が80%以上でありヘイズ値は75%以上85%以下であることと同等の光学特性を有することを特徴とする液体収容容器。
2. 前記光学部材は、前記液体収容容器と一体的に成形されたものである請求項１に記載の液体収容容器。
3. 前記光学部材は２つの反射面部をもつ請求項１または２に記載の液体収容容器。
4. 前記光学部材の表面が非鏡面処理されている請求項１から３のいずれかに記載の液体収容容器。
5. 前記光学部材の表面に光分散シートが貼り付けられている請求項１から３のいずれかに記載の液体収容容器。
6. 前記光学部材は透明化剤を含有しないオレフィン系樹脂材料である請求項３に記載の液体収容容器。

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