JP2007114055A

JP2007114055A - 液滴径測定装置

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Publication number: JP2007114055A
Application number: JP2005306066A
Authority: JP
Inventors: Yasuyuki Izuru; 恭幸居鶴; Chiaki Yamawaki; 千明山脇
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2005-10-20
Filing date: 2005-10-20
Publication date: 2007-05-10

Abstract

【課題】吐出直後の液滴のように、飛翔速度が速い液滴であっても、液滴径を精度よく測定できる液滴径測定装置を提供すること。
【解決手段】液滴径測定装置は、所定の飛翔方向に飛翔する液滴を照らす照明手段と、隣接して並んだ複数の撮像素子を有し拡大された液滴の画像を撮像する撮像手段と、液滴の画像に基づいて液滴の直径を算出する液滴径算出手段とを備え、撮像手段は撮像した画像に液滴の残像が残る露光時間で液滴を撮像し、撮像素子は液滴の画像に対応する電気的な出力を液滴径算出手段へ出力し、液滴径算出手段は液滴の飛翔方向と直交する方向に並んだ撮像素子のうち液滴の残像を捉えた撮像素子の出力に基づいて液滴の直径を算出する。
【選択図】図３

Description

この発明は、液滴径測定装置に関し、詳しくは、高速度で吐出され飛翔する液滴の直径を測定する装置に関する。

この発明に関連する従来技術としては、吐出後に落下する液滴の速度から液滴量を測定する方法とその方法に用いられる液滴量測定装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この従来技術について図７を用いて概略的に説明する。
図７に示されるように、液滴量測定装置は、液滴１０１を水平方向に吐出するヘッド１０２、ヘッド１０２を制御するヘッドコントローラ１２１、ヘッド１０２から吐出された液滴１０１を撮像して液滴１０１の画像情報を得るカメラ１０３、液滴１０１を照らす照明光源１０５、カメラ１０３に装着される拡大レンズ１０４、カメラ１０３によって撮像された液滴１０１の画像情報に基づいて液滴１０１の落下速度を測定し液滴１０１の量を算出する情報処理装置１０６とを備えている。

情報処理装置１０６は、所定の時間差を空けて撮像された液滴１０１の２つの画像情報に基づいて、液滴の重心位置の移動距離を撮像された時間差で除算し、液滴１０１の速度を求める。
液滴１０１の最終的な落下速度は、重力と気体の抵抗が釣り合うことにより液滴１０１の大きさに応じた一定値となるため、この落下速度を求めることにより液滴量を求めることができる。
特開２００３−２８６９６号公報

液晶表示装置の普及に伴い、これに使用されるカラーフィルタの生産が大きく伸びている。その生産方法として用いられているのがインクジェット法である。

液晶表示装置では、色ムラの少ないきれいな表示が要求されるため、カラーフィルタの製造に用いられるインクジェットヘッドは、各吐出口から吐出されるインクの液滴量を均一に調整することが極めて重要である。
このため、各吐出口から吐出される液滴量を正確にしかも瞬時に測定することが望まれている。

このような観点から上述の従来技術をみると、ヘッドから吐出された液滴の落下速度が一定となるまで飛距離をとる必要があり、特に初期速度が速い場合には測定装置が大型化してしまう。
また、飛翔距離が長く、飛翔速度が遅くなるほど風の影響を受け易くなるため、測定が難しくなり測定誤差も大きくなる恐れがある。

ところで、従来技術のように、ヘッドから吐出された液滴が一定の落下速度におちつくまで待つことなく、吐出直後の液滴をスケール等と一緒に撮像できれば、測定装置の大型化を招くことなく、また風の影響を受けることもなく、液滴の直径を測定することが可能になると考えられる。
しかし、一般に吐出直後の液滴はその飛翔速度が非常に高く、これを静止画として撮像するには、非常に短い露光時間または超高速度のシャッター速度で撮像する必要がある。

例えば、飛翔速度１０ｍ／ｓｅｃ．で飛翔する直径２０μｍの液滴を５０倍の拡大レンズを介して撮像する場合、残像が残らない静止画として撮像するには約１３ｎｓｅｃ．という非常に短い露光時間で撮像しなければならない。
仮に、このような短い露光時間で撮像するとすれば、光源としてパルスレーザーが必要となるが、パルスレーザーを発する装置は高価であり、また装置自体も大きい。
また、液滴の飛翔速度が上記の１０ｍ／ｓｅｃ．よりも速い場合、残像が残らないように静止画を撮像することは不可能であると考えられる。

この発明は以上のような事情を考慮してなされたものであり、吐出直後の液滴のように、飛翔速度が速い液滴であっても、液滴径を精度よく測定できる液滴径測定装置を提供するものである。

この発明は、所定の飛翔方向に飛翔する液滴を照らす照明手段と、隣接して並んだ複数の撮像素子を有し拡大された液滴の画像を撮像する撮像手段と、液滴の画像に基づいて液滴の直径を算出する液滴径算出手段とを備え、撮像手段は撮像した画像に液滴の残像が残る露光時間で液滴を撮像し、撮像素子は液滴の画像に対応する電気的な出力を液滴径算出手段へ出力し、液滴径算出手段は液滴の飛翔方向と直交する方向に並んだ撮像素子のうち液滴の残像を捉えた撮像素子の出力に基づいて液滴の直径を算出することを特徴とする液滴径測定装置を提供するものである。

この発明によれば、敢えて残像が残る撮像時間で撮像し、液滴径算出手段が液滴の飛翔方向と直交する方向に並んだ撮像素子のうち液滴の残像を捉えた撮像素子の出力に基づいて液滴の直径を算出するので、吐出直後のような、飛翔速度が速い液滴であっても液滴の直径を算出することが可能となる。
また、敢えて残像が残る撮像時間で撮像することにより、極度に短い露光時間で撮像せずにすみ、残像が残らない静止画として撮像することが不可能な非常に速い飛翔速度で飛翔する液滴にも対応することが可能となる。

この発明による液滴径算出装置は、所定の飛翔方向に飛翔する液滴を照らす照明手段と、隣接して並んだ複数の撮像素子を有し拡大された液滴の画像を撮像する撮像手段と、液滴の画像に基づいて液滴の直径を算出する液滴径算出手段とを備え、撮像手段は撮像した画像に液滴の残像が残る露光時間で液滴を撮像し、撮像素子は液滴の画像に対応する電気的な出力を液滴径算出手段へ出力し、液滴径算出手段は液滴の飛翔方向と直交する方向に並んだ撮像素子のうち液滴の残像を捉えた撮像素子の出力に基づいて液滴の直径を算出することを特徴とする。

この発明による液滴径算出装置において、液滴とは、所定の飛翔方向に飛翔する液体を意味し、特に限定されるものではないが、例えば、インクジェットヘッドから吐出されるインク等の液滴を挙げることができる。
また、照明手段は、液滴を照らすことができるものであればよく、その構成は特に限定されるものではないが、例えば、パルスレーザー、ハロゲンランプ、ＬＥＤランプ等が挙げられる。なかでも、装置に係るコスト等を考慮するとハロゲンランプやＬＥＤランプが好ましい。

また、隣接して並んだ複数の撮像素子とは、各撮像素子が１つの画素となり光信号を電気信号に変換して出力できるものであればよく、その構成は特に限定されるものではないが、例えば、ＣＣＤなどが挙げられる。
また、液滴径算出手段とは、演算処理装置を意味し、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、Ｉ／Ｏポートなどを備えたマイクロコンピュータ等が挙げられる。

この発明による液滴径測定装置において、露光時間は、１つの撮像素子の飛翔方向に沿った長さを、撮像倍率と画像上における液滴の飛翔速度との積で除した値よりも長くなるように設定されてもよい。
このような構成によれば、残像が残るような露光時間を合理的に設定でき、電子的な制御が行い易くなる。

この発明による液滴径測定装置において、液滴径算出手段は、液滴の残像を捉えた撮像素子の出力と、液滴の残像を捉えていない撮像素子との中間の値を出力する撮像素子を液滴の残像の境界を捉えた撮像素子として判断してもよい。
このような構成によれば、液滴の残像を捉えた撮像素子が発する出力と、液滴の残像を捉えていない撮像素子が発する出力との出力変化が緩やかな場合であっても、暫定的に液滴の残像の境界を定めることができ、液滴の直径をより精度よく算出することができる。

この発明による液滴径測定装置は、液滴を吐出する吐出手段をさらに備え、撮像手段は吐出された液滴のうち任意の液滴を撮像するように吐出手段と所定の時間差を空けて同期制御されてもよい。

この発明による液滴径測定装置は、液滴を吐出する吐出手段をさらに備え、照明手段は所定の時間的間隔を空けて不連続的に発光し、撮像手段および照明手段は吐出された液滴のうち任意の液滴を撮像するように吐出手段と所定の時間差を空けて同期制御されてもよい。

以下、図面に示す実施例に基づいてこの発明を詳細に説明する。

実施例１
図１〜４に基づいて、この発明の実施例１による液滴径測定装置について説明する。
図１は実施例１による液滴径測定装置の概略的な構成図、図２は同期回路による制御の一例を示す説明図、図３は演算処理部が液滴の飛翔方向と直交する方向に並んだ撮像素子の出力を測定する工程を説明する説明図、図４は液滴の飛翔方向と直交する方向に並んだ撮像素子のうち液滴の残像を捉えた撮像素子が発する出力の一例を示す説明図である。

図１および図３に示されるように、実施例１による液滴径測定装置１０は、液滴３を吐出する吐出部（吐出手段）１と、所定の飛翔方向Ｄ１に飛翔する液滴３を照らす照明部（照明手段）９と、隣接して並んだ複数の撮像素子６からなるＣＣＤ８を有し拡大された液滴３の画像２を撮像するカメラ（撮像手段）５と、液滴３の画像２に基づいて液滴３の直径Ａを算出する演算処理部（液滴径算出手段）１１とを備え、カメラ５は撮像した画像２に液滴３の残像４（図３参照）が残る露光時間で液滴３を撮像し、撮像素子６は液滴３の画像２に対応する電気的な出力を演算処理部１１へ出力し、演算処理部１１は液滴３の飛翔方向Ｄ１と直交する方向に並んだ撮像素子６のうち液滴３の残像４を捉えた撮像素子６の出力に基づいて液滴３の直径Ａを算出するように構成されている。

カメラ５には被写体である液滴３を拡大して撮像するレンズ７が装着されている。
照明部９は常時点灯し、レンズ７と対向するように配置され、吐出部１から吐出された液滴３は照明部９とカメラ５との間を通過する。
カメラ５は演算処理部１１と電気的に接続され、演算処理部１１はカメラ５が撮像した液滴３の画像２に基づき、液滴３の直径Ａを算出する。

カメラ５と吐出部１は同期回路１３を介して電気的に接続され、液滴３の吐出と撮像との同期制御が行われる。
図２は、同期回路１３による制御の一例である。パルス信号Ｐに応じて吐出部１から吐出が行われる。
ｉ番目の吐出Ｐｉ後、液滴３がカメラ５まで飛翔する時間Ｔ１を空けて、カメラ５のシャッタが時間Ｔ２の間だけ開いてＣＣＤ８の撮像素子６が露光され、吐出に連動した液滴３の撮像が行われる。
ここで、露光時間は、ＣＣＤ８を構成する１つの撮像素子６の飛翔方向Ｄ１に沿った長さを、撮像倍率と画像２上における液滴３の飛翔速度との積で除した値よりも長くなるように設定される。

図３に示されるように、演算処理部１１は、液滴３の飛翔方向Ｄ１と直交する方向Ｄ２に並んだ撮像素子６のうち液滴３の残像４を捉えた撮像素子６の出力を測定する。
図４は、液滴３の残像４を捉えた撮像素子６が発する電気的な出力の一例を示す説明図である。ここで出力とは例えば画素の明るさであり、演算処理部１１は液滴３の飛翔方向Ｄ１と直交する方向Ｄ２に並んだ撮像素子６のうち低い出力を発する撮像素子６の数を測定する。

液滴３の残像４を捉えた撮像素子６が発する出力と、液滴３の残像４を捉えずに背景を撮像した撮像素子６が発する出力との出力変化が緩やかであり、液滴３の残像４と背景との境界が特定しずらい場合、演算処理部１１は、液滴３の残像４を捉えた撮像素子６が発する出力と、液滴３の残像を捉えずに背景を撮像した撮像素子が発する出力との中間の値１７の出力を発する撮像素子６を液滴３の残像４と背景との境界を捉えた撮像素子６として判断する。
これにより、液滴３の残像４と背景との境界が特定しずらい場合であっても、暫定的に液滴３の残像４の境界を特定することができ、より精度よく液滴３の直径Ａを算出することが可能となる。

レンズ７の倍率により１つの撮像素子６当たりの実際の被写体の長さが求められるので、演算処理部１１が低い出力を発する撮像素子６の数を測定することにより、図３に示されるように、飛翔方向Ｄ１に対して直交する方向Ｄ２の液滴３の幅が算出され、この幅が液滴３の直径Ａに相当することとなる。
なお、ここで倍率とは撮像素子６上のイメージサイズを実際の被写体のサイズで除した値である。
液滴３の直径Ａが分かれば、公式：Ｖ＝４／３π（Ａ／２）³により、吐出部１から吐出され飛翔する液滴３の体積を算出することもできる。
なお、１つの撮像素子６当たりの実際の被写体の長さは、上述のようにレンズ７の倍率から求められてもよいし、或いは、事前のスケール撮影から求められた値が用いられてもよい。

従来は、飛翔する液滴を撮像してその直径を求める場合、液滴の残像が残らない静止画として撮像を行い、撮像された液滴の近似円の直径を液滴径としていた。しかし、液滴の飛翔速度が非常に速い場合には、撮像された画像に液滴の残像が残り、精度のよい測定が難しい場合があった。
本実施例では、上述のとおり、撮像された画像２に敢えて液滴３の残像４が残る露光時間で撮像を行い、液滴３の飛翔方向Ｄ１に直交する方向に並んだ撮像素子６のうち、液滴３の残像４を捉えた撮像素子６の数を測定し、この数に基づいて液滴３の直径Ａを算出するので、飛翔速度が非常に速く残像４が残らない静止画として撮像することが不可能な液滴３であっても精度よくその直径Ａを測定することができる。

実施例２
この発明の実施例２による液滴径測定装置について図５および図６に基づいて説明する。
図５は実施例２による液滴径測定装置の概略的な構成図、図６は同期回路による制御の一例を示す説明図である。

図５に示されるように、実施例２による液滴径測定装置２０は、吐出部１、カメラ５および照明部（照明手段）９が同期回路２３を介して電気的に接続され、照明９は吐出部１およびカメラ５と同期制御される。つまり、照明部９は吐出部１の駆動から所定の時間的間隔を空けて同期制御され不連続的に発光する。
演算処理部１１は実施例１と同様にレンズ７が装着されたカメラ５と電気的に接続され、カメラ５が撮像した液滴３の画像２において、液滴３の残像４を捉えた撮像素子６の数を測定することにより液滴３の直径Ａを算出する（図３参照）。

図６は同期回路２３による制御の一例である。照明部９の発光時間Ｔ２が実際の露光時間となり、露光時間Ｔ２を含む時間の間、カメラ５のシャッタが開く。
上述の実施例１では、照明部９が常時点灯されるため、カメラ５のシャッタースピードにより露光時間が規定されていたが、本実施例では、カメラ５のシャッタースピードを遅くし、照明部９の発光時間を露光時間とする。
これにより、照明部９が常時点灯されカメラ５のシャッタースピードが速い場合に、撮像された画像に筋のような光が写り込むスミアと呼ばれる現象を防止でき、より確実に液滴３の直径Ａを算出することが可能となる。

この発明の実施例１による液滴径測定装置の概略的な構成を示す構成図である。同期回路による制御の一例を示す説明図である。演算処理部が液滴の飛翔方向と直交する方向に並んだ撮像素子の出力を測定する工程を説明する説明図である。液滴の飛翔方向と直交する方向に並んだ撮像素子のうち液滴の残像を捉えた撮像素子が発する出力の一例を示す説明図である。この発明の実施例２による液滴径測定装置の概略的な構成を示す説明図である。同期回路による制御の一例を示す説明図である。従来の液滴量測定装置の概略的な構成を示す構成図である。

符号の説明

１・・・吐出部
２・・・画像
３・・・液滴
４・・・残像
５・・・カメラ
６・・・撮像素子
７・・・レンズ
８・・・ＣＣＤ
１０，２０・・・液滴径測定装置
１１・・・演算処理部
１３，２３・・・同期回路
１７・・・中間の値
Ｄ１・・・飛翔方向
Ｄ２・・・飛翔方向と直交する方向

Claims

所定の飛翔方向に飛翔する液滴を照らす照明手段と、隣接して並んだ複数の撮像素子を有し拡大された液滴の画像を撮像する撮像手段と、液滴の画像に基づいて液滴の直径を算出する液滴径算出手段とを備え、撮像手段は撮像した画像に液滴の残像が残る露光時間で液滴を撮像し、撮像素子は液滴の画像に対応する電気的な出力を液滴径算出手段へ出力し、液滴径算出手段は液滴の飛翔方向と直交する方向に並んだ撮像素子のうち液滴の残像を捉えた撮像素子の出力に基づいて液滴の直径を算出することを特徴とする液滴径測定装置。
前記露光時間は、１つの撮像素子の飛翔方向に沿った長さを、撮像倍率と画像上における液滴の飛翔速度との積で除した値よりも長くなるように設定される請求項１に記載の液滴径測定装置。
液滴径算出手段は、液滴の残像を捉えた撮像素子の出力と、液滴の残像を捉えていない撮像素子の出力との中間の値を出力する撮像素子を液滴の残像の境界を捉えた撮像素子として判断する請求項１又は２に記載の液滴径測定装置。
液滴を吐出する吐出手段をさらに備え、撮像手段は吐出された液滴のうち任意の液滴を撮像するように吐出手段と所定の時間差を空けて同期制御される請求項１〜３のいずれか１つに記載の液滴径測定装置。
液滴を吐出する吐出手段をさらに備え、照明手段は所定の時間的間隔を空けて不連続的に発光し、撮像手段および照明手段は吐出された液滴のうち任意の液滴を撮像するように吐出手段と所定の時間差を空けて同期制御される請求項１〜３のいずれか１つに記載の液滴径測定装置。