JP2006110776A - 飛翔液滴測定方法および液体吐出ヘッドの吐出特性測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】液体吐出ヘッドから吐出される液滴の吐出速度等を高精度で検出する。
【解決手段】液体吐出ヘッドから吐出される液滴をストロボ光源で照明し、所定の発光タイミングで取り込んだ（ｃ）に示す液滴画像を２値化処理して、（ｄ）に示す２値化画像を得る。次いでエロージョン処理を行い、唯一の島領域が残るまで２値化画像を縮小し、（ｅ）に示すようにその重心位置（Ｘｓ、Ｙｓ）を液滴の中心位置とする。連続して得られた複数の液滴画像に対して同様の処理を行って得られた液滴位置情報から、液滴の吐出速度や吐出方向を算出する。
【選択図】図２

Description

本発明は、液体吐出ヘッドから吐出された液滴の飛翔中の速度や方向を検出して吐出性能を評価するための飛翔液滴測定方法および液体吐出ヘッドの吐出特性測定装置に関するものである。

従来、インクジェットプリンタ等の液体吐出記録装置に用いられる液体吐出ヘッドの性能評価のために、液体吐出ヘッドから吐出される液滴の吐出速度や吐出方向などの吐出特性を測定する装置としては、特許文献１および特許文献２に開示されるものがある。両者とも、液体吐出ヘッドである記録ヘッドから吐出されたインク等液滴を側面からストロボ光源でパルス照明し、その瞬間の画像を反対側に設けた対物レンズを通してＣＣＤカメラで撮像して液滴の画像を取得し、撮像時の液滴の中心位置から吐出速度あるいは吐出方向を求めるというもので、両者の違いは吐出速度および吐出方向の求め方にある。

特許文献１に開示されたものでは、液滴位置を求める前に、予めその液滴が吐出されるノズル位置を求めておき、その位置を基準としたときの液滴位置と吐出タイミングからストロボ光源を発光させるまでの時間により、吐出速度および吐出方向を求めている。また、特許文献２に開示されたものでは、時間差を設けてストロボ光源を複数回発光させ、それぞれのタイミングで撮像した複数枚の液滴画像から液滴の中心位置を求め、複数の液滴中心間の相対位置とそれぞれのタイミングの時間差とから吐出速度および吐出方向を求めている。
特開平１１−１０５３０７号公報 特開平１１−２２７１７２号公報

しかしながら、液体吐出ヘッドから吐出される液滴は、図７の（ａ）〜（ｄ）に示すように、ノズルから吐出した直後は尾を引いた状態で飛翔していき、しばらくすると先頭部が主滴として分離するとともに、尾の部分がばらばらになって、いわゆるサテライトを形成していく。このように、現実の液滴形状は単純ではなく、その液滴位置の求め方によっては吐出速度および吐出方向に大いなる誤差を生む可能性がある。

特に最近では写真画像を印刷できるプリンタが主流となり、高解像度印刷を実現するため液滴の体積が従来の数１０ｐｌから数ｐｌと１／１０程度となっている。そのため、空気抵抗による吐出速度の低下も著しく、従来のように主滴が分離した時点で液滴速度を計測したのではヘッド性能を正しく評価することはできず、吐出直後のまだ尾を引いた状態での液滴速度を測定することが不可欠になってきている。また、一般のインクジェットプリンタではノズル先端から印刷用紙までの距離が１．０〜１．５ｍｍ程度であるため、この範囲内での速度変動を測定することも必須で、どのような液滴形状であっても液滴位置が正しく検出できることが不可欠である。

本発明は、上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、液体吐出ヘッドから吐出される液滴が尾引き形状であっても、その飛翔中の速度や方向を高精度で測定し、液体吐出ヘッドの性能評価を短時間で効率的かつ安価に行うことを可能にする飛翔液滴測定方法および液体吐出ヘッドの吐出特性測定装置を提供することを目的とするものである。

上記の目的を達成するため、本発明の飛翔液滴測定方法は、液体吐出ヘッドから吐出された液滴をパルス光により照明して撮像した液滴画像から前記液滴の位置を検出する飛翔液滴測定方法であって、前記液滴画像を所定の２値化しきい値にしたがって２値化画像に変換する２値化工程と、前記２値化画像に対して唯一の島領域が残存するまでエロージョン処理を所定回数施すエロージョン工程と、を有し、前記エロージョン工程で求められた唯一の島領域の重心位置を前記液滴画像の撮像時の液滴の中心位置とすることを特徴とする。

撮像時の液滴の中心位置の検出を２値化画像のエロージョン処理によって行うことで、液体吐出ヘッドの吐出特性を測定するものであるため、サテライト除去などの異常値処理が不要となり、したがって検出処理が簡単であり、計測時間を大幅に短縮できる。また、尾引き形状の液滴でも中心位置の検知ができるため、液滴を吐出するノズル近傍での特性測定が可能である。

加えて、どのような液滴形状でも主滴位置を確実に検知できるため、高精度な全自動測定が可能であり、しかも、複雑な計測手段を必要としないため装置コストを抑えることができる。

図１に示すように、液体吐出ヘッドである記録ヘッド１のノズルから吐出された液滴をパルス照明手段であるストロボ光源２で照明して、撮像手段であるＣＣＤカメラ３によって撮像する。このようにして得られた液滴画像に対して、所定のしきい値にしたがって図２に示すように、２値化画像を求め、その２値化画像に対して唯一の島領域が残存するようにエロージョン処理を複数回施し、求められた唯一の島領域の重心位置（Ｘｓ、Ｙｓ）を液滴の中心位置とするための演算を行う画像処理手段である画像処理部４を設ける。

なお、液滴画像に液滴以外の物体が含まれる場合には、その物体のみを含むバックグランド画像を予め取得しておき、液滴画像とバックグランド画像との差分をとることにより、液滴のみが含まれる液滴画像を生成する。

また、複数のノズルから複数の液滴が吐出されているときには各ノズル毎に吐出される液滴が存在する領域を設定し、その領域内で検出処理を施すことにより各液滴の位置を検出することも可能である。

ストロボ光源を複数回発光させ、時間差を設けて撮像した複数の液滴画像に対してそれぞれ、上記の２値化画像処理を行って液滴の中心位置を検出し、得られた複数の液滴位置情報を用いて、液滴の飛翔速度および飛翔角度、すなわち液体吐出ヘッドの吐出速度および吐出角度を測定することができる。この方法により、効率的かつ高精度に液体吐出ヘッドの吐出性能を評価することができる。

図１は、一実施例による液体吐出ヘッドの吐出特性測定装置を示すものである。ここで、図１に示された吐出特性測定装置の液滴観察系を例えばホームポジションに備え、記録ヘッドの走査系や記録がなされる記録媒体の搬送系等を具備する液体吐出記録装置を構成することもできる。

（全体構成）
図１の（ａ）に示すように、記録ヘッド１を駆動するヘッド駆動回路５は、コンピュータ６から転送されてきた画像データにしたがってヘッド駆動信号を生成する。記録ヘッド１はその駆動信号を受けると所望のノズルを駆動して液滴を吐出する。記録ヘッド１のフェース面の側面にはストロボ光源２が配置され、ノズルから吐出された液滴をパルス光によって照明する。ストロボ光源２と対向するもう一方の側面にはＣＣＤカメラ３が設けられ、ストロボ光源２によって照明された液滴像がＣＣＤカメラ３に取り込まれる。

ストロボ光源２のパルス照明タイミングはタイミング遅延手段であるタイミング制御回路７により制御され、記録ヘッド１を駆動するタイミングに同期して所望の遅延時間後に設定できるようになっている。タイミング制御回路７はストロボ光源２にこのタイミング信号を出力すると同時にフレームグラバー８にもフリーズ信号を出力する。そのため、フレームグラバー８には記録ヘッド１が駆動されてから所望の時間経過した時点での液滴のフリーズ画像が取り込まれる。実際にはこのフリーズ画像はフレームグラバー８の中の画像記憶手段であるフレームメモリ９に記憶されており、画像処理部４はこのフレームメモリ９内のフリーズ画像を自由に読み出せるようになっている。

画像処理部４はその中に複数のフレームメモリ１０を有しており、フレームメモリ１０を作業画面として活用しながら、フリーズ画像に対して様々な画像処理を施すことができるようになっている。この画像処理には、後述するように主滴の中心位置を検出するための様々な処理が含まれている。

（液滴の観察系）
図１の（ｂ）に示すように、ストロボ光源２は記録ヘッド１のフェース面近傍をインクの吐出方向に対して概ね直交する方向からパルス照明している。このパルス光で照明された液滴像はストロボ光源２と対向して配置されたＣＣＤカメラ３を通してフリーズ画面として取り込まれる。

通常のインクジェット方式の記録ヘッドの場合、その液滴速度は１０〜２０ｍ／ｓ程度である。そのため、フリーズ画面の液滴像にボケが生じないようにするためにはパルス照明のパルス幅は数１００ｎｓ程度でなければならない。そこで本実施例においては、発光時間１５０ｎｓ程度のストロボ光源を使用している。しかし、同様のパルス発光が可能で、かつ光量が充分であればＬＥＤ照明でもレーザー照明でも問題はない。

通常のプリンタ等において記録媒体（記録用紙）と記録ヘッド１の距離は１〜１．５ｍｍの位置にある。そのため、フリーズ画像の画角は１ｍｍ前後が最適である。よって、１／３インチのＣＣＤカメラ３の場合には３〜５倍の対物レンズ１１を取り付ける必要がある。本実施例ではＣＣＤカメラ３として、ＮＴＳＣ準拠のＣＣＤカメラを採用しているためリフレッシュレートは３３Ｈｚである。一方、記録ヘッド１から吐出される液滴の速度は前述のように１０〜２０ｍ／ｓ程度である。そのため、吐出液滴が１ｍｍ移動するのに要する時間は最大でも１００μｓしかなく、１イベントの吐出液滴が１ｍｍ移動する間に複数の液滴画像を取得することは不可能である。そこで、本実施例では複数の異なるタイミングの液滴画像を取得する場合、１イベント毎にタイミングを変えて複数の異なるタイミングの液滴画像を取得するようにしている。

（液滴画像の説明）
上記の観察系で得られた液滴画像は、図７に示したものと同様であり、同図の（ａ）はヘッド駆動から約２０μｓ後の液滴画像であり、（ａ）の時点からそれぞれ２０μｓづつ経過したときの液滴画像を（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示す。画面左端の帯状部分は記録ヘッド１のフェース面で、その中心付近の突起部分が吐出された液滴像である。

本実施例では透過照明を採用しているため液滴部分が黒く表示され、バックグランドが明に表示される。

現状のインクジェットプリンタに使われている記録ヘッドから吐出する液滴は、図７の（ａ）に示すように、最初はノズルから尾を引くように押し出され、（ｂ）に示すようにしばらくは尾を引いた形状で飛翔し、次に（ｃ）に示すように先頭部分が主滴として分離しながら（ｄ）に示すように残った尾の部分が分裂してサテライトとなって、その後しばらく飛翔して記録媒体上に着弾する。

主滴とサテライトが分離するまでの飛翔距離はインクの粘度や表面張力などの諸特性やヘッド性能によって変動することが知られているが、現状のインクジェットプリンタの記録ヘッドではノズルから０．４〜０．７ｍｍ程度である。そのため、液滴が媒体上に着弾するまでの速度変化を計測するには図７の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）すべての液滴形状で液滴の中心位置を検出しなければならない。

（液滴の中心位置の検出方法）
まず、液滴が尾引き形状の場合の主滴の中心位置を以下のようにして検出する。

図２は、液滴が図７の（ａ）、（ｂ）に示すような尾引き形状の場合に主滴となる部分の中心位置を検出する方法を説明するもので、このような形状の場合、液滴の先端は円形になっており、この部分は将来主滴となる部分である。よって、この円形部分の中心位置を求めることができればよい。

まず、図２の（ａ）はインク等の液滴を吐出させない状態で取得した画像で、同図の（ｂ）の画像から液滴部分を除いた画像、すなわちバックグランド画像である。よって、図２の（ａ）の画像と（ｂ）の画像との差分をとると（ｃ）のように液滴部分のみの画像が得られる。

図２の（ｃ）の画像を所定のしきい値レベルによって（ｄ）に示すように２値化した後、液滴部分に対してエロージョン処理を所定回数施すと、（ｅ）に示すように先端の円形部分の中心点のみが残る。さらにエロージョン処理を続行すれば、この中心点もなくなり、白紙の画像となる。なお、エロージョン処理とは液滴のような島部分に対して周辺部分から玉ねぎの皮を一枚づつ剥いていくような処理で一般の画像処理では浸食処理と言われるものである。図２の（ｅ）は白紙画像になる直前の画像を示し、この画像に対して重心を求めることによってインク主滴の中心位置を求めることができる。

従来の単純な重心処理による検出方法では、このような尾引き形状の場合、まず主滴と尾の部分を判別しなければならないため、大変複雑な処理を必要としていた。しかし、本実施例によれば、２値化画像にエロージョン処理を施すことによって主滴に比べて細い尾の部分が先に消滅し、最後に主滴中心部が残存するため、主滴の識別と、主滴位置の検出を同時に行うことができる。そのため、検出時間を大幅に短縮することができる。

次に、主滴が分離した形状の場合の主滴の中心位置を以下のように検出する。

図３は図７の（ｃ）、（ｄ）に示すような主滴が分離した形状の場合に主滴の中心位置を検出する方法を説明するもので、このような形状の場合にも上記と全く同じ方法により主滴の中心位置を求めることができる。すなわち、図３の（ｂ）に示す液滴画像を取得する前に、まず（ａ）に示すようにバックグランド画像を取得しておき、（ａ）の画像と（ｂ）の画像の差分をとることにより（ｃ）の液滴部分のみの画像が得られる。図３の（ｃ）の画像に対して（ｄ）に示すように２値化処理した後、エロージョン処理を所定回数施すと、他のサテライト径より主滴径が大きいので、（ｅ）のように主滴の中心点が最後に残ることになる。このようにして画像の重心を求めることによって主滴の中心位置を求めることができる。

（吐出速度および吐出方向の測定）
上記の検出方法を適用すればどのような液滴形状であっても主滴の中心位置を検出することができる。そこで、以下のように主滴位置情報により吐出速度と吐出方向すなわち液滴の飛翔速度と飛翔角度を求める。

吐出速度と吐出方向を求めるには時間差をもった２つのタイミングで取得した液滴画像を必要とする。吐出タイミングからＴｓ経過後に取得した液滴画像を図２の（ｂ）とし、さらに期間が経過してＴｍ後に取得した液滴画像を図３の（ｂ）とし、図２の（ｅ）および図３の（ｅ）に示すように、それぞれの主滴位置を（Ｘｓ、Ｙｓ）および（Ｘｍ、Ｙｍ）とすると、図４に示すように、吐出速度Ｖおよび吐出方向θはそれぞれ、以下の式（１）、式（２）によって求めることができる。

なお、本実施例では前述したように１イベントの吐出液滴についてＴｓとＴｍのタイミングで画像をサンプリングしているのではなく、異なるイベントの吐出液滴についてそれぞれの画像を取得している。そのため、イベント毎に吐出速度や吐出方向が不安定な場合には測定結果に誤差が生じることになる。しかし、現状のインクジェットプリンタの記録ヘッドでは、液滴の吐出状態は各イベント間で安定しているため、吐出特性の測定精度にはそれほど影響することはなく、本実施例の方法により比較的安価な装置で正確に吐出特性を測定することができる。

（液体吐出ヘッドの吐出特性測定のシーケンス）
前述のように、どのような液滴形状であっても主滴の中心位置を検出でき、その中心位置により吐出速度および吐出角度を求めることができる。次にその測定シーケンスを図５のフローチャートにしたがって説明する。

まず、液滴を吐出しない状態でバックグランド画像を取得する（ステップＳ１）。次に測定するノズルの液滴を吐出させ（ステップＳ２）、ストロボ光源２を発光させるタイミング（発光ディレイ）をＴｓに設定して基準となる液滴（インク滴）画像を取得する（ステップＳ３）。液滴だけの画像を生成するため最初に取得したバックグランド画像との差分をとって基準液滴（インク滴）画像を得る（ステップＳ４）。次に、得られた基準液滴画像を２値化画像に変換することになるが、このとき２値化しきい値は予め設定された値でもよいし、判別分析法など一般的な２値化しきい値算出法により決定した値を採用してもよい（ステップＳ５、ステップＳ６）。求めた２値化画像に対して画像全体が白紙状態になるまでエロージョン処理を繰り返す。そして、白紙画像になったら（ステップＳ７）、その直前の画像に対して重心位置（Ｘｓ、Ｙｓ）を算出する（ステップＳ８）。以上で基準液滴位置の検出が完了する。

次に測定液滴の位置検出処理に移るが、バックグランド画像は最初に取得したものがそのまま適用できるため省略する。今度は発光ディレイをＴｍに設定して液滴（インク滴）画像を取得し（ステップＳ９）、バックグランド画像との差分をとって測定液滴（インク滴）画像を得る（ステップＳ１０）。その後は基準液滴の場合と同様に処理して（ステップＳ１１〜ステップＳ１３）、重心位置（Ｘｍ、Ｙｍ）を求める（ステップＳ１４）。

このようにして基準液滴と測定液滴の主滴位置が求まれば、吐出速度および吐出方向は前述の式（１）、式（２）に従って求めることができる（ステップＳ１５、ステップＳ１６）。

なお、以上のシーケンスで測定を複数回行って平均化すれば測定精度を向上させることができる。また、基準液滴の主滴位置は最初に一回だけ取得して、測定液滴の主滴位置だけを複数回検出して平均化しても同様の効果が得られる。また、本実施例では液滴画像にヘッドのフェース面が含まれているため、基準液滴画像および測定液滴画像を取得する際にバックグランドを差分する処理が施されていたが、フェース面から少し離れた場所で吐出特性測定を行うのであれば、フェース面が画像内に入らないのでバックグランドの差分処理は必要ない。

本実施例による液滴位置検出方法によれば、どのような液滴形状であっても全く同じ画像処理シーケンスによって主滴の中心位置を検出できるため、全自動計測にも適している。

なお、本実施例では、エロージョン処理によって主滴の中心点を残す場合に、白紙画像になるまでエロージョン処理を行っているが、エロージョン処理を１回行う毎に島領域が１つだけになったかをチェックし、島領域が１つになったらエロージョン処理を終了して、島領域の重心を演算によって算出することで主滴位置を求めてもよい。

また、本実施例では画面内に１個のノズルから吐出された液滴しかない場合を例にしているが、図６に示すように２個のノズルからそれぞれ液滴が吐出されている場合でも、図中のＡおよびＢのウィンドウで示されるように各ノズルから吐出される液滴が存在する領域毎にウィンドウを設定してそのウィンドウ内でそれぞれの検出処理を施すことにより複数の液滴の主滴位置を同時に検出することも可能である。

さらに、本実施例では装置コストを抑えるため、一般に広く使用されているＮＴＳＣ準拠のＣＣＤカメラを採用した。そのため、１イベントの吐出液滴が飛翔している間に異なるタイミングで複数の液滴画像を取得することができなかった。しかし、高速度カメラを使用すれば、１イベントの吐出液滴に対して複数の液滴画面を取得できるため、その液滴の真の特性を測定することができる。また、本実施例では観察系は１つだけであったが、たとえば観察系を２つ設け、液滴を２方向から測定すれば吐出方向を３次元的に求めることも可能であり、さらに吐出方向のずれによる速度誤差を補正することもできる。

一実施例を示すもので、（ａ）は液体吐出ヘッドの吐出特性測定装置全体を示すブロック図、（ｂ）は観察系の詳細を示す部分立面図である。 尾引き形状の液滴の主滴位置検出方法を説明する図である。 主滴分離形状の液滴の主滴位置検出方法を説明する図である。 吐出速度および吐出角度を算出する方法を説明する図である。 吐出特性の測定シーケンスを示すフローチャートである。 複数ノズルから吐出された場合のウィンドウ設定を示す図である。 記録ヘッドから吐出された液滴の形状を説明する図である。

符号の説明

１ 記録ヘッド
２ ストロボ光源
３ ＣＣＤカメラ
４ 画像処理部
５ ヘッド駆動回路
６ コンピュータ
７ タイミング制御回路
８ フレームグラバー
９、１０ フレームメモリ
１１ 対物レンズ

Claims (9)

1. 液体吐出ヘッドから吐出された液滴をパルス光により照明して撮像した液滴画像から前記液滴の位置を検出する飛翔液滴測定方法であって、
   前記液滴画像を所定の２値化しきい値にしたがって２値化画像に変換する２値化工程と、
   前記２値化画像に対して唯一の島領域が残存するまでエロージョン処理を所定回数施すエロージョン工程と、
   を有し、前記エロージョン工程で求められた唯一の島領域の重心位置を前記液滴画像の撮像時の液滴の中心位置とすることを特徴とする飛翔液滴測定方法。
2. 前記液滴画像に液滴以外の物体が含まれる場合には、前記物体のみを含むバックグランド画像を予め取得しておき、前記液滴画像と前記バックグランド画像との差分画像から前記液滴の位置を検出することを特徴とする請求項１記載の飛翔液滴測定方法。
3. 前記液滴画像内には液体吐出ヘッドの１つのノズルから吐出された液滴だけが存在することを特徴とする請求項１または２記載の飛翔液滴測定方法。
4. 液体吐出ヘッドから吐出された液滴をパルス照明するパルス照明手段と、前記パルス照明手段のパルス発光タイミングを遅延させるタイミング遅延手段と、前記パルス照明手段がパルス発光した瞬間の液滴画像を撮像する撮像手段と、前記撮像手段が撮像した液滴画像を記憶する画像記憶手段と、前記画像記憶手段に記憶された液滴画像に対して画像処理を施す画像処理手段と、を有し、前記タイミング遅延手段により時間差を設けて撮像された複数の液滴画像から吐出特性を検出する液体吐出ヘッドの吐出特性測定装置であって、
   前記画像処理手段が、前記複数の液滴画像に対してそれぞれ２値化処理およびエロージョン処理を施して、最後に残った唯一の島領域の重心位置を各液滴画像の撮像時の液滴の中心位置とすることを特徴とする液体吐出ヘッドの吐出特性測定装置。
5. 前記吐出特性は液体吐出ヘッドから吐出された液滴の飛翔速度であることを特徴とする請求項４記載の液体吐出ヘッドの吐出特性測定装置。
6. 前記吐出特性は液体吐出ヘッドから吐出された液滴の飛翔角度であることを特徴とする請求項４記載の液体吐出ヘッドの吐出特性測定装置。
7. 前記タイミング遅延手段により時間差を設けて撮像された複数の液滴画像は、複数イベントの吐出液滴に対して、それぞれ別々に撮像されていることを特徴とする請求項４ないし６いずれか１項記載の液体吐出ヘッドの吐出特性測定装置。
8. 前記撮像素子は高速度カメラであって、前記タイミング遅延手段により時間差を設けて撮像された複数の液滴画像は１イベントの吐出液滴に対して撮像されていることを特徴とする請求項４ないし６いずれか１項記載の液体吐出ヘッドの吐出特性測定装置。
9. 請求項４記載の液体吐出ヘッドの吐出特性測定装置と、前記液体吐出ヘッドによって記録がなされる記録媒体の搬送系と、を具備することを特徴とする液体吐出記録装置。

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