JP2007335878A - Piezoelectric device and ink cartridge provided with the same - Google Patents

Piezoelectric device and ink cartridge provided with the same Download PDF

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田 憲 児 塚
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric device that improves vibration characteristics of a vibration part. <P>SOLUTION: A first electrode layer 46, a second electrode layer 49, and an auxiliary electrode layer 48 respectively at each part located in a region corresponding to a cavity 43 form a symmetrical shape, as a whole, that has two symmetric axes O<SB>1</SB>, O<SB>2</SB>passing through the center of a body part 47a of a piezoelectric layer 47 and orthogonal to each other. The two symmetric axes O<SB>1</SB>, O<SB>2</SB>include a first symmetric axis O<SB>1</SB>, which is extended along in an extension direction of an extension part of the piezoelectric layer 47, and a second symmetric axis O<SB>2</SB>that is orthogonal to the first symmetric axis O<SB>1</SB>. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、圧電装置及びこの圧電装置を備えたインクカートリッジに係わり、特に、液体検出に用いられる圧電装置及びこの圧電装置を備えたインクカートリッジに関する。   The present invention relates to a piezoelectric device and an ink cartridge including the piezoelectric device, and more particularly to a piezoelectric device used for liquid detection and an ink cartridge including the piezoelectric device.

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。   In an ink jet recording apparatus, an ink jet recording head having pressure generating means for pressurizing a pressure generating chamber and a nozzle opening for ejecting the pressurized ink as ink droplets is mounted on a carriage.

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。   The ink jet recording apparatus is configured to be able to continue printing by continuously supplying ink in an ink tank (ink container) to a recording head via a flow path. The ink tank is configured as a detachable cartridge that can be easily replaced by the user when ink is consumed, for example.

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。   Conventionally, the ink consumption management method of the ink cartridge includes a method of managing the ink consumption by calculating the number of ink droplets ejected from the recording head and the amount of ink sucked by the maintenance by software, or an ink cartridge. There is a method of managing a point in time when a predetermined amount of ink is actually consumed by attaching an electrode for detecting a liquid level.

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。   However, the method of managing the ink consumption by calculating the number of ink droplet ejections and the amount of ink by software has the following problems. Some heads have variations in weight of ejected ink droplets. Although the weight variation of the ink droplets does not affect the image quality, the ink cartridge is filled with an amount of ink with a margin in consideration of the accumulation of errors in the ink consumption due to the variation. Therefore, depending on the individual, there is a problem that ink is left by the margin.

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。   On the other hand, the method of managing the time when ink is consumed by the electrode can detect the actual amount of ink. For this reason, the remaining amount of ink can be managed with high reliability. However, since the detection of the ink level depends on the conductivity of the ink, the types of ink that can be detected may be limited, and the electrode seal structure may be complicated. In addition, as a material for the electrode, a noble metal having high conductivity and high corrosion resistance is usually used, which increases the manufacturing cost of the ink cartridge. Furthermore, since it is necessary to mount two electrodes, the number of manufacturing steps increases, resulting in an increase in manufacturing cost.

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。   In order to solve the above-mentioned problem, Japanese Patent Application No. 2000-147052 describes a piezoelectric device mounted on a liquid container, which can accurately detect the remaining amount of liquid and does not require a complicated sealing structure.

上述した特許出願に係る技術によれば、圧電装置の振動部に対向する空間にインクが存在する場合とインクが存在しない場合とで、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の共振周波数が変化することを利用して、インクカートリッジ内のインク残量を監視することができる。   According to the technology related to the above-mentioned patent application, the residual generated due to the residual vibration of the vibration part of the piezoelectric device between the case where ink exists in the space facing the vibration part of the piezoelectric device and the case where ink does not exist. The remaining amount of ink in the ink cartridge can be monitored by utilizing the change in the resonance frequency of the vibration signal.

図19及び図20は、従来の技術における圧電装置を示した図である。この圧電装置は、基板201に振動板202を積層して構成された基部200を有し、この基部200には、検出対象の媒体を受け入れるためのキャビティ203が形成されている。基部200の両端には下部電極端子204及び上部電極端子205が形成されている。さらに、基部200の中央部には、下部電極端子204に接続された下部電極層206が形成され、この下部電極層206の上に圧電層207が積層され、この圧電層207の上に上部電極層208が積層されている。   19 and 20 are diagrams illustrating a conventional piezoelectric device. This piezoelectric device has a base portion 200 formed by laminating a diaphragm 202 on a substrate 201, and a cavity 203 for receiving a medium to be detected is formed in the base portion 200. A lower electrode terminal 204 and an upper electrode terminal 205 are formed at both ends of the base 200. Further, a lower electrode layer 206 connected to the lower electrode terminal 204 is formed in the central portion of the base 200, and a piezoelectric layer 207 is laminated on the lower electrode layer 206, and an upper electrode is formed on the piezoelectric layer 207. A layer 208 is stacked.

また、基部200上には補助電極層209が形成されており、この補助電極層209は、上部電極層208と上部電極端子205とを電気的に接続すると共に、その一部が振動板202と圧電層207との間に位置して圧電層207の延出部210を下方から支持している。このように補助電極層209によって圧電層207の延出部210を支持することにより、延出部210に階段状の部分が発生することを防止している。   An auxiliary electrode layer 209 is formed on the base 200, and the auxiliary electrode layer 209 electrically connects the upper electrode layer 208 and the upper electrode terminal 205, and a part of the auxiliary electrode layer 209 is connected to the diaphragm 202. The extension part 210 of the piezoelectric layer 207 is supported from below, positioned between the piezoelectric layer 207. In this way, by supporting the extended portion 210 of the piezoelectric layer 207 by the auxiliary electrode layer 209, it is possible to prevent the stepped portion from occurring in the extended portion 210.

また、図20から分かるように、補助電極層209はキャビティ203に対応する領域の外側に位置するようにして形成されている。これは、キャビティ203に対応する領域にある振動板202、圧電層207等が圧電装置の振動部を構成するので、この振動部の領域を外して補助電極層209を形成することにより圧電装置の振動特性の劣化を防止するためである。   As can be seen from FIG. 20, the auxiliary electrode layer 209 is formed so as to be located outside the region corresponding to the cavity 203. This is because the vibration plate 202, the piezoelectric layer 207, and the like in the region corresponding to the cavity 203 constitute a vibration part of the piezoelectric device, and the auxiliary electrode layer 209 is formed by removing the region of the vibration unit. This is to prevent deterioration of vibration characteristics.

ところが、上述した従来の圧電装置においては、圧電装置を駆動してその振動部を振動させると、図20の矢視Aの位置において圧電層207及び上部電極層208にクラックが発生しやすいという問題があった。   However, in the above-described conventional piezoelectric device, when the piezoelectric device is driven to vibrate the vibrating portion, cracks are likely to occur in the piezoelectric layer 207 and the upper electrode layer 208 at the position indicated by arrow A in FIG. was there.

クラック発生の原因は以下のように考えられる。すなわち、図20に示したように下部電極層206と補助電極層209との間には、両者の絶縁状態を確保するための空隙211が形成されており、この空隙211が、キャビティ203の周縁203aに対応する位置を含むようにして形成されている。このため、圧電装置の駆動により圧電装置の振動部が振動する際に、キャビティ203の周縁203aに対応する位置において圧電層207に応力集中が発生し、これがクラック発生の原因になっているものと考えられる。   The cause of cracking is considered as follows. That is, as shown in FIG. 20, a gap 211 is formed between the lower electrode layer 206 and the auxiliary electrode layer 209 to ensure the insulation between them. It is formed so as to include a position corresponding to 203a. For this reason, when the vibration part of the piezoelectric device vibrates by driving the piezoelectric device, stress concentration occurs in the piezoelectric layer 207 at a position corresponding to the peripheral edge 203a of the cavity 203, which causes cracks. Conceivable.

また、図19から分かるように従来の圧電装置においては、キャビティ203に対応する領域にあって振動部を構成する圧電層207、下部電極層206、及び上部電極層208が、全体として非対称の形状を成している。このため、圧電装置の振動部における質量バランスが悪くなり、振動部の振動特性が劣化するという問題があった。   Further, as can be seen from FIG. 19, in the conventional piezoelectric device, the piezoelectric layer 207, the lower electrode layer 206, and the upper electrode layer 208 that constitute the vibrating portion in the region corresponding to the cavity 203 are asymmetric as a whole. Is made. For this reason, there is a problem that the mass balance in the vibration part of the piezoelectric device is deteriorated and the vibration characteristics of the vibration part are deteriorated.

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、振動部の振動特性を向上させることができる圧電装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above-described circumstances, and an object of the present invention is to provide a piezoelectric device that can improve the vibration characteristics of a vibration section.

上記課題を解決するために、本発明による圧電装置は、互いに対向する第1面及び第2面を有する基部であって、検出対象の媒体を受け入れるためのキャビティが、前記第1面側に開口するようにして形成され、前記キャビティの底面部が振動可能に形成されている基部と、前記第2面側に形成され、前記キャビティに対応する領域の中に形成された本体部を含む第1電極層と、前記第1電極層に積層された圧電層であって、前記キャビティに対応する領域の中に形成された本体部と、前記本体部から前記キャビティの周縁に対応する位置を越えて延びる延出部と、を有する圧電層と、前記基部の前記第2面側に形成され、少なくとも一部が前記第2面と前記圧電層の前記延出部との間に位置して前記圧電層の前記延出部を支持する補助電極層と、前記圧電層に積層されると共に前記補助電極層に接続された第2電極層と、を備え、前記キャビティに対応する領域に位置する部分の前記第1電極層、前記第2電極層、及び前記補助電極層は、全体として、前記第2面の面内に規定される対称軸であって前記圧電層の前記本体部の中心を通り且つ互いに直交する2つの対称軸を持つ対称の形状を成しており、前記2つの対称軸は、前記圧電層の前記延出部の延出方向に沿って延びる第1対称軸と、前記第1対称軸に直交する第2対称軸とを含む、ことを特徴する。   In order to solve the above problems, a piezoelectric device according to the present invention is a base having a first surface and a second surface facing each other, and a cavity for receiving a medium to be detected is opened on the first surface side. A first portion including a base portion formed so that the bottom surface portion of the cavity can be vibrated, and a main body portion formed on the second surface side and formed in a region corresponding to the cavity. An electrode layer, a piezoelectric layer laminated on the first electrode layer, a main body formed in a region corresponding to the cavity, and a position corresponding to a peripheral edge of the cavity from the main body A piezoelectric layer having an extending portion; and at least a portion of the piezoelectric layer positioned between the second surface and the extending portion of the piezoelectric layer. Auxiliary electrode for supporting the extension part of the layer And a second electrode layer laminated on the piezoelectric layer and connected to the auxiliary electrode layer, and a portion of the first electrode layer located in a region corresponding to the cavity, the second electrode layer, And the auxiliary electrode layer as a whole has a symmetrical shape defined in the plane of the second surface and having two symmetry axes that pass through the center of the main body of the piezoelectric layer and are orthogonal to each other. The two symmetry axes include a first symmetry axis extending along the extending direction of the extension portion of the piezoelectric layer and a second symmetry axis perpendicular to the first symmetry axis. , To be characterized.

また、好ましくは、前記キャビティに対応する領域に位置する部分の前記圧電層は、前記2つの対称軸を持つ対称の形状を成している。   Preferably, the piezoelectric layer in a portion located in a region corresponding to the cavity has a symmetrical shape having the two symmetry axes.

本発明は、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において、インクを収容するインク容器と、上記いずれかの圧電装置と、を備え、前記圧電装置の前記キャビティが前記インク容器のインク収容空間に露出していることを特徴とする。   The present invention relates to an ink cartridge for use in an ink jet recording apparatus, comprising: an ink container that stores ink; and any one of the piezoelectric devices described above, wherein the cavity of the piezoelectric device is exposed to an ink storage space of the ink container. It is characterized by that.

本発明の参考例による圧電装置は、互いに対向する第1面及び第2面を有する基部であって、検出対象の媒体を受け入れるためのキャビティが、前記第1面側に開口するようにして形成され、前記キャビティの底面部が振動可能に形成されている基部と、前記第2面側に形成され、前記キャビティに対応する領域の中に形成された本体部を含む第1電極層と、前記第1電極層に積層された圧電層であって、前記キャビティに対応する領域の中に形成された本体部と、前記本体部から前記キャビティの周縁に対応する位置を越えて延びる延出部と、を有する圧電層と、前記基部の前記第2面側に形成され、少なくとも一部が前記第2面と前記延出部との間に位置して前記延出部を支持する補助電極層と、前記圧電層に積層されると共に前記補助電極層に接続された第2電極層と、を備え、前記第1電極層と前記補助電極層との間には両電極層同士の絶縁状態を確保するための絶縁用空隙が形成されており、前記絶縁用空隙は前記キャビティの周縁に対応する位置を外して形成されていることを特徴とする。   A piezoelectric device according to a reference example of the present invention is a base portion having a first surface and a second surface facing each other, and is formed so that a cavity for receiving a medium to be detected opens to the first surface side. A first electrode layer including a base portion formed so that a bottom surface portion of the cavity can vibrate, a main body portion formed in a region corresponding to the cavity formed on the second surface side, and A piezoelectric layer laminated on the first electrode layer, a main body formed in a region corresponding to the cavity, and an extension extending from the main body beyond a position corresponding to a peripheral edge of the cavity; And an auxiliary electrode layer that is formed on the second surface side of the base portion and that is at least partially positioned between the second surface and the extension portion and supports the extension portion. The auxiliary layer is laminated on the piezoelectric layer A second electrode layer connected to the electrode layer, and an insulating gap is formed between the first electrode layer and the auxiliary electrode layer to ensure an insulation state between the electrode layers. The insulating gap is formed by removing a position corresponding to the peripheral edge of the cavity.

また、好ましくは、前記絶縁用空隙はその全体が前記キャビティに対応する領域の中に位置している。   Preferably, the insulating gap is entirely located in a region corresponding to the cavity.

また、好ましくは、前記補助電極層は、前記キャビティの周縁に対応する位置を越えて前記キャビティに対応する領域の外側から内側に向けて突出する突出部を有する。   Preferably, the auxiliary electrode layer has a protrusion that protrudes inward from the outside of the region corresponding to the cavity beyond the position corresponding to the periphery of the cavity.

また、好ましくは、前記補助電極層の前記突出部はその角が丸められている。   Preferably, the protrusion of the auxiliary electrode layer has rounded corners.

また、好ましくは、前記補助電極層の前記突出部は、前記圧電層の前記延出部よりも幅広に形成されている。   Preferably, the protruding portion of the auxiliary electrode layer is formed wider than the extending portion of the piezoelectric layer.

また、好ましくは、前記補助電極層の前記突出部は、前記圧電層の前記延出部よりも幅狭に形成されている。   Preferably, the protruding portion of the auxiliary electrode layer is formed narrower than the extending portion of the piezoelectric layer.

また、好ましくは、前記第1電極層は、前記キャビティに対応する領域の内側から、前記キャビティの周縁に対応する位置を越えて、前記補助電極層に向けて延びる延出部を有し、前記絶縁用空隙は、前記第1電極層の前記延出部と前記補助電極層との間に形成されると共にその全体が前記キャビティに対応する領域の外側に位置している。   Preferably, the first electrode layer has an extending portion extending from the inner side of the region corresponding to the cavity to a position corresponding to a peripheral edge of the cavity toward the auxiliary electrode layer, The insulating gap is formed between the extension portion of the first electrode layer and the auxiliary electrode layer, and the entirety thereof is located outside the region corresponding to the cavity.

また、好ましくは、前記キャビティに対応する領域に位置する部分の前記第1電極層、前記第2電極層、及び前記補助電極層は、全体として、前記圧電層の前記本体部の中心を通る少なくとも1つの対称軸を持つような略対称の形状を成している。   Preferably, a portion of the first electrode layer, the second electrode layer, and the auxiliary electrode layer located in a region corresponding to the cavity has at least the center of the main body portion of the piezoelectric layer as a whole. It has a substantially symmetrical shape with one symmetry axis.

また、好ましくは、前記キャビティに対応する領域に位置する部分の前記圧電層は、前記少なくとも1つの対称軸を持つような略対称の形状を成している。   Preferably, the portion of the piezoelectric layer located in a region corresponding to the cavity has a substantially symmetrical shape having the at least one axis of symmetry.

本発明の参考例による圧電装置は、互いに対向する第1面及び第2面を有する基部であって、検出対象の媒体を受け入れるためのキャビティが、前記第1面側に開口するようにして形成され、前記キャビティの底面部が振動可能に形成されている基部と、前記第2面側に形成され、前記キャビティに対応する領域の中に形成された本体部を含む第1電極層と、前記第1電極層に積層された圧電層であって、前記キャビティに対応する領域の中に形成された本体部と、前記本体部から前記キャビティの周縁に対応する位置を越えて延びる延出部と、を有する圧電層と、前記基部の前記第2面側に形成され、少なくとも一部が前記第2面と前記延出部との間に位置して前記延出部を支持する補助電極層と、前記圧電層に積層されると共に前記補助電極層に接続された第2電極層と、を備え、前記キャビティに対応する領域に位置する部分の前記第1電極層、前記第2電極層、及び前記補助電極層は、全体として、前記圧電層の前記本体部の中心を通る少なくとも1つの対称軸を持つような略対称の形状を成していることを特徴する。   A piezoelectric device according to a reference example of the present invention is a base portion having a first surface and a second surface facing each other, and is formed so that a cavity for receiving a medium to be detected opens to the first surface side. A first electrode layer including a base portion formed so that a bottom surface portion of the cavity can vibrate, a main body portion formed in a region corresponding to the cavity formed on the second surface side, and A piezoelectric layer laminated on the first electrode layer, a main body formed in a region corresponding to the cavity, and an extension extending from the main body beyond a position corresponding to a peripheral edge of the cavity; And an auxiliary electrode layer that is formed on the second surface side of the base portion and that is at least partially positioned between the second surface and the extension portion and supports the extension portion. The auxiliary layer is laminated on the piezoelectric layer A portion of the first electrode layer, the second electrode layer, and the auxiliary electrode layer that are located in a region corresponding to the cavity, as a whole. It is characterized by having a substantially symmetrical shape with at least one axis of symmetry passing through the center of the body portion of the layer.

また、好ましくは、前記キャビティに対応する領域に位置する部分の前記圧電層は、前記少なくとも1つの対称軸を持つような略対称の形状を成している。   Preferably, the portion of the piezoelectric layer located in a region corresponding to the cavity has a substantially symmetrical shape having the at least one axis of symmetry.

本発明の参考例による圧電装置は、互いに対向する第1面及び第2面を有する基部であって、検出対象の媒体を受け入れるためのキャビティが、前記第1面側に開口するようにして形成され、前記キャビティの底面部が振動可能に形成されている基部と、前記第2面側に形成され、前記キャビティに対応する領域の中に形成された本体部を含む第1電極層と、前記第1電極層に積層された圧電層であって、前記キャビティに対応する領域の中に形成された本体部と、前記本体部から前記キャビティの周縁に対応する位置を越えて延びる延出部と、を有する圧電層と、前記基部の前記第2面側に形成され、少なくとも一部が前記第2面と前記延出部との間に位置して前記延出部を支持する補助電極層と、前記圧電層に積層されると共に前記補助電極層に接続された第2電極層と、を備え、前記キャビティに対応する領域に位置する部分の前記圧電層は、前記圧電層の前記本体部の中心を通る少なくとも1つの対称軸を持つような略対称の形状を成していることを特徴する。   A piezoelectric device according to a reference example of the present invention is a base portion having a first surface and a second surface facing each other, and is formed so that a cavity for receiving a medium to be detected opens to the first surface side. A first electrode layer including a base portion formed so that a bottom surface portion of the cavity can vibrate, a main body portion formed in a region corresponding to the cavity formed on the second surface side, and A piezoelectric layer laminated on the first electrode layer, a main body formed in a region corresponding to the cavity, and an extension extending from the main body beyond a position corresponding to a peripheral edge of the cavity; And an auxiliary electrode layer that is formed on the second surface side of the base portion and that is at least partially positioned between the second surface and the extension portion and supports the extension portion. The auxiliary layer is laminated on the piezoelectric layer A second electrode layer connected to a polar layer, and the piezoelectric layer in a portion corresponding to the cavity has at least one axis of symmetry passing through a center of the body portion of the piezoelectric layer It is characterized by having a substantially symmetrical shape.

また、好ましくは、前記少なくとも1つの対称軸は、前記圧電層の前記延出部の延出方向に沿って延びる第1対称軸と、前記第1対称軸に直交する第2対称軸とを含む。   Preferably, the at least one symmetry axis includes a first symmetry axis extending along an extending direction of the extension portion of the piezoelectric layer, and a second symmetry axis perpendicular to the first symmetry axis. .

本発明の参考例は、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において、インクを収容するインク容器と、上記いずれかの圧電装置と、を備え、前記圧電装置の前記キャビティが前記インク容器のインク収容空間に露出していることを特徴とする。   A reference example of the present invention is an ink cartridge used in an ink jet recording apparatus, comprising: an ink container that stores ink; and any one of the piezoelectric devices described above, wherein the cavity of the piezoelectric device stores ink in the ink container. It is exposed to space.

本発明によれば、キャビティに対応する領域に位置する部分の第1電極層、第2電極層、及び補助電極層を、全体として、圧電層の本体部の中心を通る少なくとも1つの対称軸を持つような略対称の形状を成すように形成したので、圧電装置の振動特性を向上させることができる。   According to the present invention, the portion of the first electrode layer, the second electrode layer, and the auxiliary electrode layer that are located in the region corresponding to the cavity, as a whole, have at least one axis of symmetry passing through the center of the body portion of the piezoelectric layer. The vibration characteristics of the piezoelectric device can be improved because it is formed so as to have a substantially symmetrical shape.

本発明によれば、キャビティに対応する領域に位置する部分の圧電層を、圧電層の本体部の中心を通る少なくとも1つの対称軸を持つような略対称の形状を成すように形成したので、圧電装置の振動特性を向上させることができる。   According to the present invention, the portion of the piezoelectric layer located in the region corresponding to the cavity is formed to have a substantially symmetrical shape having at least one axis of symmetry passing through the center of the body portion of the piezoelectric layer. The vibration characteristics of the piezoelectric device can be improved.

本発明の参考例によれば、第1電極層と補助電極層との間に形成される絶縁用空隙を、キャビティの周縁に対応する位置を外して形成するようにしたので、圧電装置の駆動によってその振動部を振動させた際に、キャビティの周縁に対応する位置において圧電層に発生する応力集中を大幅に抑制することができる。このため、圧電層及び上部電極層におけるクラックの発生を防止することができる。   According to the reference example of the present invention, since the insulating gap formed between the first electrode layer and the auxiliary electrode layer is formed away from the position corresponding to the peripheral edge of the cavity, the driving of the piezoelectric device is performed. Thus, when the vibration part is vibrated, stress concentration generated in the piezoelectric layer at a position corresponding to the peripheral edge of the cavity can be significantly suppressed. For this reason, generation | occurrence | production of the crack in a piezoelectric layer and an upper electrode layer can be prevented.

以下、本発明の一実施形態による圧電装置及びこの圧電装置を備えたインクカートリッジついて図面を参照して説明する。
図1中符号1はキャリッジであり、このキャリッジ1はキャリッジモータ2により駆動されるタイミングベルト3を介し、ガイド部材4に案内されてプラテン5の軸方向に往復移動されるように構成されている。
Hereinafter, a piezoelectric device according to an embodiment of the present invention and an ink cartridge including the piezoelectric device will be described with reference to the drawings.
In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a carriage. The carriage 1 is guided by a guide member 4 through a timing belt 3 driven by a carriage motor 2 and is reciprocated in the axial direction of the platen 5. .

キャリッジ1の記録用紙6に対向する側にはインクジェット式記録ヘッドが搭載され、またその上部には記録ヘッドにインクを供給するインクカートリッジ7が着脱可能に装着されている。   An ink jet recording head is mounted on the side of the carriage 1 that faces the recording paper 6, and an ink cartridge 7 that supplies ink to the recording head is detachably mounted thereon.

この記録装置の非印字領域であるホームポジション(図中、右側)にはキャップ部材31が配置されており、このキャップ部材31はキャリッジ1に搭載された記録ヘッドがホームポジションに移動した時に、記録ヘッドのノズル形成面に押し当てられてノズル形成面との間に密閉空間を形成するように構成されている。そして、キャップ部材31の下方には、キャップ部材31により形成された密閉空間に負圧を与えてクリーニング等を実施するためのポンプユニット10が配置されている。   A cap member 31 is disposed at a home position (right side in the figure) which is a non-printing area of the recording apparatus. When the recording head mounted on the carriage 1 moves to the home position, the cap member 31 performs recording. It is configured to be pressed against the nozzle forming surface of the head to form a sealed space with the nozzle forming surface. A pump unit 10 is disposed below the cap member 31 for applying a negative pressure to the sealed space formed by the cap member 31 to perform cleaning or the like.

そして、キャップ部材31における印字領域側の近傍には、ゴムなどの弾性板を備えたワイピング手段11が記録ヘッドの移動軌跡に対して例えば水平方向に進退できるように配置されていて、キャリッジ1がキャップ部材31側に往復移動するに際して、必要に応じて記録ヘッドのノズル形成面を払拭することができるように構成されている。   A wiping means 11 having an elastic plate such as rubber is disposed in the vicinity of the print area side of the cap member 31 so as to be able to advance and retreat in the horizontal direction with respect to the movement trajectory of the recording head. When reciprocating to the cap member 31 side, the nozzle forming surface of the recording head can be wiped off as necessary.

図2及び図3は、本実施形態による圧電装置を示した図であり、この圧電装置60は、基板41に振動板42を積層して構成された基部40を有し、この基部40は、互いに対向する第1面40a及び第2面40bを有する。基部40には、検出対象の媒体を受け入れるための円形のキャビティ43が、第1面40a側に開口するようにして形成されており、キャビティ43の底面部43bが振動板42にて振動可能に形成されている。基部40の第2面40b側の両端には下部電極端子44及び上部電極端子45が形成されている。   2 and 3 are views showing the piezoelectric device according to the present embodiment. The piezoelectric device 60 includes a base 40 formed by laminating a vibration plate 42 on a substrate 41. The first surface 40a and the second surface 40b are opposed to each other. A circular cavity 43 for receiving the medium to be detected is formed in the base 40 so as to open to the first surface 40a side, and the bottom surface portion 43b of the cavity 43 can be vibrated by the diaphragm 42. Is formed. A lower electrode terminal 44 and an upper electrode terminal 45 are formed at both ends of the base 40 on the second surface 40b side.

基部40の第2面40bには下部電極層(第1電極層)46が形成されており、この下部電極層46は、キャビティ43に対応する領域の中に形成された本体部46aと、この本体部46aからキャビティ43の周縁43aに対応する位置を越えて延びる延出部46bと、を有する。下部電極層46の本体部46aは円形を成しており、その中心はキャビティ43の中心とほぼ一致している。下部電極層46の本体部46aはキャビティ43よりも小径に構成されている。   A lower electrode layer (first electrode layer) 46 is formed on the second surface 40 b of the base 40, and the lower electrode layer 46 includes a main body 46 a formed in a region corresponding to the cavity 43, An extending portion 46b extending from the main body portion 46a beyond the position corresponding to the peripheral edge 43a of the cavity 43. The main body 46 a of the lower electrode layer 46 has a circular shape, and its center substantially coincides with the center of the cavity 43. The main body 46 a of the lower electrode layer 46 is configured to have a smaller diameter than the cavity 43.

下部電極層46の上には圧電層47が積層されており、この圧電層47は、キャビティ43に対応する領域の中に形成された本体部47aと、この本体部47aからキャビティ43の周縁43aに対応する位置を越えて延びる延出部47bと、を有する。圧電層47の本体部47aは円形を成しており、その中心はキャビティ43の中心とほぼ一致している。圧電層47の本体部47aは、キャビティ43よりも小径に、且つ、下部電極層46の本体部46aよりも大径に形成されている。   A piezoelectric layer 47 is laminated on the lower electrode layer 46. The piezoelectric layer 47 includes a main body portion 47a formed in a region corresponding to the cavity 43, and a peripheral edge 43a of the cavity 43 from the main body portion 47a. And an extending portion 47b extending beyond the position corresponding to the. The main body portion 47 a of the piezoelectric layer 47 has a circular shape, and the center thereof substantially coincides with the center of the cavity 43. The main body portion 47 a of the piezoelectric layer 47 has a smaller diameter than the cavity 43 and a larger diameter than the main body portion 46 a of the lower electrode layer 46.

基部40の第2面40b側には補助電極層48が形成されており、この補助電極層48は、好ましくは、下部電極層46と同じ材質で且つ同じ厚さである。補助電極層48の一部が第2面40bと圧電層47の延出部47bとの間に位置しており、圧電層47の延出部47bを下方から支持している。このように補助電極層48の一部によって圧電層47の延出部47bを支持することによって、圧電層47に段差が生じることを防止している。   An auxiliary electrode layer 48 is formed on the second surface 40b side of the base 40, and this auxiliary electrode layer 48 is preferably made of the same material and the same thickness as the lower electrode layer 46. A part of the auxiliary electrode layer 48 is located between the second surface 40b and the extending portion 47b of the piezoelectric layer 47, and supports the extending portion 47b of the piezoelectric layer 47 from below. In this way, by supporting the extended portion 47 b of the piezoelectric layer 47 by a part of the auxiliary electrode layer 48, it is possible to prevent a step from being generated in the piezoelectric layer 47.

圧電層47には上部電極層(第2電極層)49が積層されており、この上部電極層49は、圧電層47の本体部47a上に形成された本体部49aと、この本体部49aからキャビティ43の周縁43aに対応する位置を越えて延びる延出部49bと、を有する。上部電極層49の延出部49bは補助電極層48に接続されており、補助電極層48を介して上部電極層49と上部電極端子45とが電気的に接続されている。このように補助電極層48を介して上部電極層49を上部電極端子45に接続することによって、圧電層47及び下部電極層46の合計の厚さから生じる段差を、上部電極層49と補助電極層48との両方によって吸収することができる。このため、上部電極層49に大きな段差が生じて機械的強度が低下することを防止することができる。   An upper electrode layer (second electrode layer) 49 is laminated on the piezoelectric layer 47. The upper electrode layer 49 includes a main body 49a formed on the main body 47a of the piezoelectric layer 47, and the main body 49a. An extending portion 49b extending beyond a position corresponding to the peripheral edge 43a of the cavity 43. The extending portion 49 b of the upper electrode layer 49 is connected to the auxiliary electrode layer 48, and the upper electrode layer 49 and the upper electrode terminal 45 are electrically connected via the auxiliary electrode layer 48. By connecting the upper electrode layer 49 to the upper electrode terminal 45 through the auxiliary electrode layer 48 in this way, a step caused by the total thickness of the piezoelectric layer 47 and the lower electrode layer 46 is reduced. It can be absorbed by both the layer 48. For this reason, it is possible to prevent the mechanical strength from being lowered due to a large step in the upper electrode layer 49.

上部電極層49の本体部49aは円形を成しており、その中心はキャビティ43の中心とほぼ一致している。上部電極層49の本体部49aは、圧電層47の本体部47a及びキャビティ43よりも小径に、且つ、下部電極層46の本体部46aよりも大径に形成されている。   The main body 49 a of the upper electrode layer 49 has a circular shape, and the center thereof substantially coincides with the center of the cavity 43. The main body 49 a of the upper electrode layer 49 is formed to have a smaller diameter than the main body 47 a and the cavity 43 of the piezoelectric layer 47 and a larger diameter than the main body 46 a of the lower electrode layer 46.

このように、圧電層47の本体部47aは、上部電極層49の本体部49aと下部電極層46の本体部46aとによって挟みこまれる構造となっている。これにより、圧電層47は効果的に変形駆動され得る。   As described above, the main body portion 47 a of the piezoelectric layer 47 is sandwiched between the main body portion 49 a of the upper electrode layer 49 and the main body portion 46 a of the lower electrode layer 46. Thereby, the piezoelectric layer 47 can be effectively deformed and driven.

上述のように、上部電極層49の本体部49a、圧電層47の本体部47a、下部電極層46の本体部46aおよびキャビティ43のうちで、面積が最も大きいのはキャビティ43である。このような構造のために、振動板42のうち実際に振動する振動領域は、キャビティ43によって決定される。   As described above, the cavity 43 has the largest area among the main body 49a of the upper electrode layer 49, the main body 47a of the piezoelectric layer 47, the main body 46a of the lower electrode layer 46, and the cavity 43. Due to such a structure, the vibration region of the diaphragm 42 that actually vibrates is determined by the cavity 43.

また、上部電極層49の本体部49a、圧電層47の本体部47aおよび下部電極層46の本体部46aの各面積が、キャビティ43の面積より小さいことにより、振動板42がより振動しやすくなっている。   In addition, since the areas of the main body portion 49 a of the upper electrode layer 49, the main body portion 47 a of the piezoelectric layer 47, and the main body portion 46 a of the lower electrode layer 46 are smaller than the area of the cavity 43, the vibration plate 42 is more likely to vibrate. ing.

さらに、圧電層47と電気的に接続された下部電極層46の本体部46aおよび上部電極層49の本体部49aのうち、下部電極層46の本体部46aの方が小さい。従って、下部電極層46の本体部46aが、圧電層47のうちで圧電効果を発生する部分を決定する。   Furthermore, the main body 46 a of the lower electrode layer 46 is smaller than the main body 46 a of the lower electrode layer 46 and the main body 49 a of the upper electrode layer 49 that are electrically connected to the piezoelectric layer 47. Accordingly, the main body portion 46 a of the lower electrode layer 46 determines a portion of the piezoelectric layer 47 that generates the piezoelectric effect.

圧電層47の本体部47a、上部電極層49の本体部49a、及び下部電極層46の本体部46aは、それらの中心が、キャビティ43の中心とほぼ一致している。また、振動板42の振動部分を決定する円形状のキャビティ43の中心は、圧電装置60の全体のほぼ中心に位置している。したがって、圧電装置60の振動部の中心は、圧電装置60の中心とほぼ一致する。   The centers of the main body portion 47 a of the piezoelectric layer 47, the main body portion 49 a of the upper electrode layer 49, and the main body portion 46 a of the lower electrode layer 46 substantially coincide with the center of the cavity 43. In addition, the center of the circular cavity 43 that determines the vibrating portion of the diaphragm 42 is positioned substantially at the center of the entire piezoelectric device 60. Accordingly, the center of the vibration part of the piezoelectric device 60 substantially coincides with the center of the piezoelectric device 60.

更に、圧電層47の本体部47a、上部電極層49の本体部49a、下部電極層46の本体部46a、及び振動板42の振動部分が円形形状を有するので、圧電装置60の振動部は、圧電装置60の中心に対して対称な形状である。このように圧電装置60の振動部が、圧電装置60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。   Further, since the main body portion 47a of the piezoelectric layer 47, the main body portion 49a of the upper electrode layer 49, the main body portion 46a of the lower electrode layer 46, and the vibration portion of the diaphragm 42 have a circular shape, the vibration portion of the piezoelectric device 60 is The shape is symmetrical with respect to the center of the piezoelectric device 60. Thus, since the vibration part of the piezoelectric device 60 has a symmetrical shape with respect to the center of the piezoelectric device 60, unnecessary vibrations that may arise from the asymmetry of the structure are not excited. For this reason, the detection accuracy of the resonance frequency is improved.

また、圧電装置60の振動部が等方的な形状であるので、圧電装置60を接着する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、圧電装置60のインク容器への実装性がよい。   Further, since the vibration part of the piezoelectric device 60 has an isotropic shape, the piezoelectric device 60 is hardly affected by variations in fixation when the piezoelectric device 60 is bonded, and can be evenly bonded to the ink container. That is, the mountability of the piezoelectric device 60 to the ink container is good.

更に、振動板42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。   Furthermore, since the compliance of the diaphragm 42 is large, vibration attenuation is reduced, and the accuracy of detection of the resonance frequency can be improved.

圧電装置60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。圧電装置60を一体的に形成することによって、圧電装置60の取り扱いが容易になる。   The members included in the piezoelectric device 60 are preferably integrally formed by firing each other. By integrally forming the piezoelectric device 60, the piezoelectric device 60 can be easily handled.

さらに、基板41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41の強度を高めることによって、圧電装置60の振動部のみが振動し、圧電装置60のうち振動部以外の部分が振動しないようになる。また、振動部の振動を大きくするためには、基板41の強度を高めることに加えて、圧電装置60の圧電層47、上部電極層49、及び下部電極層46を薄くかつ小さくすると共に、振動板41を薄くすることが有効である。   Furthermore, the vibration characteristics can be improved by increasing the strength of the substrate 41. That is, by increasing the strength of the substrate 41, only the vibration part of the piezoelectric device 60 vibrates, and parts other than the vibration part of the piezoelectric device 60 do not vibrate. In order to increase the vibration of the vibration part, in addition to increasing the strength of the substrate 41, the piezoelectric layer 47, the upper electrode layer 49, and the lower electrode layer 46 of the piezoelectric device 60 are made thin and small, and It is effective to make the plate 41 thinner.

圧電層47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41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42には、基板41と同じ材料を用いることが好ましい。上部電極層49、下部電極層46、上部電極端子45および下部電極端子44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。   As a material of the piezoelectric layer 47, it is preferable to use lead zirconate titanate (PZT), lead lanthanum zirconate titanate (PLZT), or a lead-less piezoelectric film that does not use lead. As a material of the substrate 41, it is preferable to use zirconia or alumina. The diaphragm 42 is preferably made of the same material as the substrate 41. For the upper electrode layer 49, the lower electrode layer 46, the upper electrode terminal 45, and the lower electrode terminal 44, a conductive material, for example, a metal such as gold, silver, copper, platinum, aluminum, or nickel can be used.

図3に示したように、下部電極層46と補助電極層48との間には絶縁用空隙50が形成されている。そして、この絶縁用空隙50は、キャビティ43の周縁43aに対応する位置を外して形成されており、より具体的には、絶縁用空隙50はその全体がキャビティ43に対応する領域の中に位置するようにして形成されている。   As shown in FIG. 3, an insulating gap 50 is formed between the lower electrode layer 46 and the auxiliary electrode layer 48. The insulating gap 50 is formed by removing the position corresponding to the peripheral edge 43 a of the cavity 43, and more specifically, the insulating gap 50 is located in a region corresponding to the cavity 43 as a whole. It is formed like this.

このように、絶縁用空隙50の全体をキャビティ43に対応する領域の中に位置させることによって、圧電装置60の駆動によってその振動部を振動させた際に、キャビティ43の周縁43aに対応する位置において圧電層47に発生する応力集中を大幅に抑制することができる。このため、圧電層47及び上部電極層49におけるクラックの発生を防止することができる。   Thus, by positioning the entire insulating gap 50 in the region corresponding to the cavity 43, the position corresponding to the peripheral edge 43 a of the cavity 43 when the vibrating portion is vibrated by driving the piezoelectric device 60. The stress concentration generated in the piezoelectric layer 47 can be greatly suppressed. For this reason, the generation of cracks in the piezoelectric layer 47 and the upper electrode layer 49 can be prevented.

また、補助電極層48は、キャビティ43の周縁43aに対応する位置を越えて、キャビティ43に対応する領域の外側から内側に向けて突出する突出部48aを有しており、この突出部48aはその角が丸められている。   Further, the auxiliary electrode layer 48 has a protrusion 48 a that protrudes from the outside to the inside of the region corresponding to the cavity 43 beyond the position corresponding to the peripheral edge 43 a of the cavity 43, and the protrusion 48 a The corners are rounded.

このように補助電極層48の突出部48aの角を丸めることによって、補助電極層48のエッジ部分における圧電層47のクラックの発生を防止することができる。さらに、補助電極層48の形成時に位置ずれが発生する場合を考慮すると、補助電極層48の突出部48aに角が存在すると、形成時の位置ずれによって突出部48aの角がキャビティ43に対応する領域の内側に入ったり外側に外れたりする。このため、圧電装置60ごとの振動特性にバラツキが生じてしまう恐れがある。これに対して、本実施形態のように補助電極層48の突出部48aの角を丸めることによって、補助電極層48の形成時の位置ずれに起因する振動特性のバラツキを大幅に抑制することができる。   In this way, by rounding the corners of the protrusions 48 a of the auxiliary electrode layer 48, it is possible to prevent cracks in the piezoelectric layer 47 at the edge portion of the auxiliary electrode layer 48. Further, in consideration of the case where a displacement occurs during the formation of the auxiliary electrode layer 48, if a corner exists in the protrusion 48a of the auxiliary electrode layer 48, the corner of the protrusion 48a corresponds to the cavity 43 due to the displacement during formation. Move inside or outside the area. For this reason, there is a possibility that the vibration characteristics of each piezoelectric device 60 may vary. On the other hand, by rounding the corners of the protrusions 48a of the auxiliary electrode layer 48 as in the present embodiment, it is possible to greatly suppress variations in vibration characteristics due to misalignment when the auxiliary electrode layer 48 is formed. it can.

図4は、本実施形態において用いられる圧電装置60およびその等価回路を示す。この圧電装置60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、インクカートリッジ内の液体の消費状態を検出するものである。   FIG. 4 shows a piezoelectric device 60 and its equivalent circuit used in this embodiment. The piezoelectric device 60 detects a change in acoustic impedance by detecting a resonance frequency due to residual vibration, and detects a consumption state of the liquid in the ink cartridge.

図4(A)および図4(B)は、圧電装置60の等価回路を示す。また、図4(C)および図4(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圧電装置60を含む周辺およびその等価回路を示し、図4(E)および図4(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圧電装置60を含む周辺およびその等価回路を示す。   4A and 4B show an equivalent circuit of the piezoelectric device 60. FIG. 4C and 4D show the periphery including the piezoelectric device 60 and its equivalent circuit when the ink is filled in the ink cartridge, respectively, and FIG. 4E and FIG. F) shows the periphery including the piezoelectric device 60 and its equivalent circuit when there is no ink in the ink cartridge.

図2乃至図4に示される圧電装置60は、インクカートリッジ7のインク容器の所定の場所に、キャビティ43がインク容器内に収容される液体(インク)と接触するように装着される。つまり、圧電装置60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。インク容器に液体が十分に収容されている場合には、キャビティ43内およびその外側は液体によって満たされている。   The piezoelectric device 60 shown in FIGS. 2 to 4 is mounted at a predetermined position of the ink container of the ink cartridge 7 so that the cavity 43 comes into contact with the liquid (ink) accommodated in the ink container. That is, at least a part of the vibrating portion of the piezoelectric device 60 is exposed in the ink container housing space. When the liquid is sufficiently stored in the ink container, the inside of the cavity 43 and the outside thereof are filled with the liquid.

一方、インク容器の液体が消費され、圧電装置の装着位置以下まで液面が降下すると、キャビティ43内に液体が存在しない状態となる、あるいは、キャビティ43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。   On the other hand, when the liquid in the ink container is consumed and the liquid level drops below the mounting position of the piezoelectric device, the liquid does not exist in the cavity 43, or the liquid remains only in the cavity 43 and outside of it. It will be in the state where gas exists.

圧電装置60は、この状態の変化に起因する音響インピーダンスの相違を検出する。それによって、圧電装置60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。   The piezoelectric device 60 detects a difference in acoustic impedance caused by this change in state. As a result, the piezoelectric device 60 can detect whether the ink container is in a state where the liquid is sufficiently stored or whether a certain amount of liquid is consumed.

次に、圧電装置による液面検出の原理について説明する。
圧電装置60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、圧電装置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、圧電装置60の圧電層47は、圧電装置60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、圧電装置60の振動部の振幅によって変化する。従って、圧電装置60の振動部の振幅が大きいほど、検出が容易である。
Next, the principle of liquid level detection using a piezoelectric device will be described.
The piezoelectric device 60 can detect the change in the acoustic impedance of the liquid using the change in the resonance frequency. The resonance frequency can be detected by measuring a counter electromotive force generated by residual vibration remaining in the vibration part after the vibration part of the piezoelectric device vibrates. That is, the piezoelectric layer 47 of the piezoelectric device 60 generates a counter electromotive force due to residual vibration remaining in the vibration portion of the piezoelectric device 60. The magnitude of the counter electromotive force varies depending on the amplitude of the vibration part of the piezoelectric device 60. Therefore, detection is easier as the amplitude of the vibration part of the piezoelectric device 60 is larger.

また、圧電装置60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、圧電装置60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、圧電装置60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。   Further, the period in which the magnitude of the counter electromotive force changes depends on the frequency of the residual vibration in the vibration part of the piezoelectric device 60. That is, the frequency of the vibration part of the piezoelectric device 60 corresponds to the frequency of the counter electromotive force. Here, the resonance frequency refers to a frequency in a resonance state between the vibrating portion of the piezoelectric device 60 and the medium in contact with the vibrating portion.

圧電装置60の振動領域は、振動板42のうちのキャビティ43に対応する部分である。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43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43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。   The vibration region of the piezoelectric device 60 is a portion corresponding to the cavity 43 in the vibration plate 42. When the liquid is sufficiently stored in the ink container, the cavity 43 is filled with the liquid, and the vibration region is in contact with the liquid in the ink container. On the other hand, when there is not enough liquid in the ink container, the vibration region is in contact with the liquid remaining in the cavity 43 in the ink container, or is not in contact with the liquid but in contact with gas or vacuum.

ここで、図2乃至図4を参照しながら、逆起電力の測定により得られる媒体と圧電装置60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。   Here, the operation and principle of detecting the state of the liquid in the ink container from the resonance frequency between the medium obtained by measuring the counter electromotive force and the vibration part of the piezoelectric device 60 will be described with reference to FIGS. To do.

圧電装置60において、上部電極端子45および下部電極端子44を介して、それぞれ上部電極層49および下部電極層46に電圧を印加する。すると、圧電層47のうち、上部電極層49および下部電極層46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47は変形する。圧電層47が変形することによって、振動板42のうちの振動領域がたわみ振動する。圧電層47が変形した後しばらくは、たわみ振動が圧電装置60の振動部に残留する。   In the piezoelectric device 60, a voltage is applied to the upper electrode layer 49 and the lower electrode layer 46 through the upper electrode terminal 45 and the lower electrode terminal 44, respectively. Then, an electric field is generated in a portion of the piezoelectric layer 47 sandwiched between the upper electrode layer 49 and the lower electrode layer 46. The piezoelectric layer 47 is deformed by this electric field. When the piezoelectric layer 47 is deformed, the vibration region of the vibration plate 42 is flexibly vibrated. For a while after the piezoelectric layer 47 is deformed, the flexural vibration remains in the vibrating portion of the piezoelectric device 60.

残留振動は、圧電装置60の振動部と媒体との自由振動である。従って、圧電層47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、圧電装置60の振動部の振動であり、圧電層47の変形を伴う。このため、圧電層47は逆起電力を発生する。この逆起電力は、上部電極層49、下部電極層46、上部電極端子45および下部電極端子44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有無を検出することができる。   The residual vibration is free vibration between the vibration part of the piezoelectric device 60 and the medium. Therefore, by setting the voltage applied to the piezoelectric layer 47 to a pulse waveform or a rectangular wave, it is possible to easily obtain the resonance state between the vibrating portion and the medium after the voltage is applied. The residual vibration is vibration of the vibration part of the piezoelectric device 60 and is accompanied by deformation of the piezoelectric layer 47. For this reason, the piezoelectric layer 47 generates a counter electromotive force. This counter electromotive force is detected through the upper electrode layer 49, the lower electrode layer 46, the upper electrode terminal 45 and the lower electrode terminal 44. The resonance frequency can be specified by the detected back electromotive force. Based on this resonance frequency, the presence or absence of liquid in the ink container can be detected.

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。
In general, the resonant frequency fs is
fs = 1 / (2 * π * (M * Cact) 1/2 ) (Formula 1)
It is represented by Here, M is the sum of the inertance Mact and the additional inertance M ′ of the vibration part. Cact is the compliance of the vibration part.

図4(A)および図4(B)は、キャビティ43にインクが残存していないときの圧電装置60の振動部およびキャビティ43の等価回路である。   FIGS. 4A and 4B are equivalent circuits of the vibrating portion of the piezoelectric device 60 and the cavity 43 when no ink remains in the cavity 43. FIG.

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4(A)に示すように、
Mact=Mpzt+Melectrode1+Melectrode2+Mvib (式2)
と表される。
Mact is obtained by dividing the product of the thickness of the vibration part and the density of the vibration part by the area of the vibration part. Specifically, as shown in FIG.
Mact = Mpzt + Melectrode1 + Melectrode2 + Mvib (Formula 2)
It is expressed.

ここで、Mpztは、振動部における圧電層47の厚さと圧電層47の密度との積を圧電層47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層49の厚さと上部電極層49の密度との積を上部電極層49の面積で除したものである。Melectrode2は、振動部における下部電極層46の厚さと下部電極層46の密度との積を下部電極層46の面積で除したものである。Mvibは、振動部における振動板42の厚さと振動板42の密度との積を振動板42の振動領域の面積で除したものである。   Here, Mpzt is obtained by dividing the product of the thickness of the piezoelectric layer 47 and the density of the piezoelectric layer 47 in the vibrating portion by the area of the piezoelectric layer 47. Melectrode1 is obtained by dividing the product of the thickness of the upper electrode layer 49 and the density of the upper electrode layer 49 in the vibration part by the area of the upper electrode layer 49. Melectrode2 is obtained by dividing the product of the thickness of the lower electrode layer 46 and the density of the lower electrode layer 46 in the vibration part by the area of the lower electrode layer 46. Mvib is obtained by dividing the product of the thickness of the vibration plate 42 and the density of the vibration plate 42 in the vibration portion by the area of the vibration region of the vibration plate 42.

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47、上部電極層49、下部電極層46および振動板42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。   However, the respective areas of the vibration regions of the piezoelectric layer 47, the upper electrode layer 49, the lower electrode layer 46, and the vibration plate 42 are as follows so that Mact can be calculated from the thickness, density, and area of the entire vibration part: Although having the magnitude relationship as described above, it is preferable that the difference in mutual area is small.

また、本実施形態において、圧電層47、上部電極層49および下部電極層46においては、それらの主要部である円形の本体部47a、49a、46a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、圧電装置60において、Mactは、上部電極層49、下部電極層46、圧電層47および振動板42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、上部電極層49、下部電極層46、圧電層47および振動板42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。   In the present embodiment, in the piezoelectric layer 47, the upper electrode layer 49, and the lower electrode layer 46, portions other than the circular main body portions 47a, 49a, and 46a that are the main portions thereof can be ignored with respect to the main portions. It is preferable that it is very small. Therefore, in the piezoelectric device 60, Mact is the sum of the inertances of the vibration regions of the upper electrode layer 49, the lower electrode layer 46, the piezoelectric layer 47, and the vibration plate 42. The compliance Cact is a compliance of a portion formed by the vibration region of the upper electrode layer 49, the lower electrode layer 46, the piezoelectric layer 47 and the vibration plate 42.

尚、図4(A)、(B)、(D)、(F)は、圧電装置60の振動部およびキャビティ43の等価回路を示すが、これらの等価回路において、Cactは圧電装置60の振動部のコンプライアンスを示す。Cpzt、Celectrode1、Celectrode2およびCvibは、それぞれ、振動部における圧電層47、上部電極層49、下部電極層46および振動板42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4(A)は、図4(B)のように表すこともできる。
4A, 4 </ b> B, 4 </ b> D, and 4 </ b> F show an equivalent circuit of the vibration unit of the piezoelectric device 60 and the cavity 43. In these equivalent circuits, Cact is the vibration of the piezoelectric device 60. Indicates compliance of the department. Cpzt, Celectrode1, Celectrode2, and Cvib indicate the compliance of the piezoelectric layer 47, the upper electrode layer 49, the lower electrode layer 46, and the vibration plate 42 in the vibration part, respectively. Cact is expressed by Equation 3 below.
1 / Cact = (1 / Cpzt) + (1 / Celectrode1) + (1 / Celectrode2)
+ (1 / Cvib) (Formula 3)
From Formula 2 and Formula 3, FIG. 4 (A) can also be expressed as FIG. 4 (B).

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。   The compliance Cact represents the volume of the medium that can be received by deformation when pressure is applied to the unit area. That is, the compliance Cact represents the ease of deformation.

図4(C)は、インク容器に液体が十分に収容され、圧電装置60の振動領域の周辺に液体が満たされている場合の圧電装置60の断面図を示す。図4(C)のM’maxは、インク容器に液体が十分に収容され、圧電装置60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。
FIG. 4C is a cross-sectional view of the piezoelectric device 60 in a case where the liquid is sufficiently stored in the ink container and the periphery of the vibration region of the piezoelectric device 60 is filled with the liquid. M′max in FIG. 4C is an additional inertance (additional mass (influence on the vibration of the vibration region) when the ink container is sufficiently filled with the liquid and the periphery of the vibration region of the piezoelectric device 60 is filled with the liquid. Mass)) divided by the square of the area). M'max is
M′max = (π * ρ / (2 * k 3 )) * (2 * (2 * k * a) 3 / (3 * π)) / (π * a 2 ) 2 (Formula 4)
(A is the radius of the vibration part, ρ is the density of the medium, and k is the wave number.)
It is represented by

尚、式4は、圧電装置60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。   Equation 4 is established when the vibration region of the piezoelectric device 60 is a circle having a radius a. The additional inertance M ′ is an amount indicating that the mass of the vibration part is apparently increased by the medium in the vicinity of the vibration part. As can be seen from Equation 4, M′max varies greatly depending on the radius a of the vibrating part and the density ρ of the medium.

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。
Wave number k is
k = 2 * π * fact / c (Formula 5)
(Fact is the resonance frequency of the vibration part. C is the speed of sound propagating through the medium.)
It is represented by

図4(D)は、インク容器に液体が十分に収容され、圧電装置60の振動領域の周辺に液体が満たされている図4(C)の場合の圧電装置60の振動部およびキャビティ43の等価回路を示す。   FIG. 4D shows the vibration portion of the piezoelectric device 60 and the cavity 43 in the case of FIG. 4C in which the ink container is sufficiently filled with liquid and the liquid is filled around the vibration region of the piezoelectric device 60. An equivalent circuit is shown.

図4(E)は、インク容器の液体が消費され、圧電装置60の振動領域の周辺に液体が無いものの、圧電装置60のキャビティ43内には液体が残存している場合の圧電装置60の断面図を示す。   FIG. 4E shows the piezoelectric device 60 when the liquid in the ink container is consumed and there is no liquid around the vibration region of the piezoelectric device 60, but the liquid remains in the cavity 43 of the piezoelectric device 60. A cross-sectional view is shown.

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43内に液体が残留しつつ圧電装置60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、圧電装置60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*aである。
Expression 4 is an expression representing the maximum inertance M′max determined from the density ρ of the ink when the ink container is filled with the liquid. On the other hand, the additional inertance M ′ when the liquid in the ink container is consumed and the liquid around the vibration region of the piezoelectric device 60 is replaced with gas or vacuum while the liquid remains in the cavity 43 is generally In addition,
M ′ = ρ * t / S (Formula 6)
(For more details, see Equation 8 below.) Here, t is the thickness of the medium involved in vibration. S is the area of the vibration region of the piezoelectric device 60. When the vibration region is a circle having a radius a, S = π * a 2 .

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、圧電装置60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43内に液体が残留しつつ圧電装置60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。   Therefore, the additional inertance M ′ is based on Equation 4 when the liquid is sufficiently contained in the ink container and the liquid is filled around the vibration region of the piezoelectric device 60. On the other hand, when the liquid is consumed and the liquid around the vibration region of the piezoelectric device 60 is replaced with gas or vacuum while the liquid remains in the cavity 43, Equation 6 is satisfied.

ここで、図4(E)のように、インク容器の液体が消費され、圧電装置60の振動領域の周辺に液体が無いものの、圧電装置60のキャビティ43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、圧電装置60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。   Here, as shown in FIG. 4E, when the liquid in the ink container is consumed and there is no liquid around the vibration region of the piezoelectric device 60, the liquid remains in the cavity 43 of the piezoelectric device 60. The additional inertance M ′ is referred to as M′cav for the sake of convenience, and is distinguished from the additional inertance M′max when the liquid is filled around the vibration region of the piezoelectric device 60.

図4(F)は、インク容器の液体が消費され、圧電装置60の振動領域の周辺に液体が無いものの、圧電装置60のキャビティ43内には液体が残存している図4(E)の場合の圧電装置60の振動部およびキャビティ43の等価回路を示す。   4F shows that the liquid in the ink container is consumed and there is no liquid around the vibration region of the piezoelectric device 60, but the liquid remains in the cavity 43 of the piezoelectric device 60. The equivalent circuit of the vibration part and cavity 43 of the piezoelectric device 60 in the case is shown.

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、圧電装置60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43内部に液体が残存するか、もしくは、圧電装置60の振動部に気体または真空が接触する。圧電装置60の周辺の液体が消費され、図4(C)のM’maxから図4(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。   Here, the parameters related to the state of the medium are the density ρ of the medium and the thickness t of the medium in Equation 6. When the liquid is sufficiently stored in the ink container, the liquid comes into contact with the vibrating portion of the piezoelectric device 60. On the other hand, when the liquid is not sufficiently stored in the ink container, the liquid remains in the cavity 43 or a gas or a vacuum contacts the vibrating portion of the piezoelectric device 60. The additional inertance M′var in the process of transition from M′max in FIG. 4C to M′cav in FIG. 4E is consumed in the vicinity of the piezoelectric device 60, and the liquid is contained in the ink container. As a result, the density ρ of the medium and the thickness t of the medium change. Thereby, the resonance frequency fs also changes. Therefore, the amount of liquid in the ink container can be detected by specifying the resonance frequency fs.

ここで、図4(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。
Here, when t = d as shown in FIG. 4 (E), when M′cav is expressed using Equation 6, the cavity depth d is substituted into t in Equation 6,
M′cav = ρ * d / S (Formula 7)
It becomes.

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。   Further, if the medium is a different type of liquid, the density ρ varies depending on the composition, and therefore the additional inertance M ′ and the resonance frequency fs are different. Therefore, the type of liquid can be detected by specifying the resonance frequency fs.

図5(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。   FIG. 5A is a graph showing the relationship between the amount of ink in the ink tank and the resonance frequency fs of the ink and the vibration part. Here, ink will be described as an example of liquid. The vertical axis represents the resonance frequency fs, and the horizontal axis represents the ink amount. When the ink composition is constant, the resonance frequency fs increases as the remaining ink amount decreases.

インク容器にインクが十分に収容され、圧電装置60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43内にインクが残留しつつ圧電装置60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、インクが残留する圧電装置60のキャビティ43の深さdを小さく、即ち、基板41の厚さ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4(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。   When ink is sufficiently contained in the ink container and the ink is filled around the vibration region of the piezoelectric device 60, the maximum added inertance M'max is a value expressed by Equation 4. On the other hand, when the ink is consumed and the ink remains in the cavity 43, but the ink is not filled around the vibration region of the piezoelectric device 60, the additional inertance M′var is calculated based on the thickness t of the medium. 6 is calculated. Since t in Equation 6 is the thickness of the medium involved in the vibration, by reducing the depth d of the cavity 43 of the piezoelectric device 60 where the ink remains, that is, by sufficiently reducing the thickness of the substrate 41, It is also possible to detect a process in which ink is gradually consumed (see FIG. 4C). Here, tink is the thickness of ink involved in vibration, and tink-max is the tink at M'max.

例えば、圧電装置60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、インクの液面が圧電装置60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、圧電装置60はインクの消費状態を徐々に検出することができる。   For example, the piezoelectric device 60 is disposed substantially horizontally with respect to the ink level on the bottom surface of the ink cartridge. In this case, when the ink is consumed and the liquid level of the ink falls below the height of tink-max from the piezoelectric device 60, M′var gradually changes according to Equation 6, and the resonance frequency fs gradually changes according to Equation 1. . Therefore, as long as the ink level is within the range t, the piezoelectric device 60 can gradually detect the ink consumption state.

あるいは、インクカートリッジの側壁に、圧電装置60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、インクの液面が圧電装置60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43の直径2a(図4(C)参照)の範囲内にある限り、圧電装置60はインクの消費状態を徐々に検出することができる。   Alternatively, the piezoelectric device 60 may be disposed on the side wall of the ink cartridge substantially perpendicular to the ink level. In this case, when the ink is consumed and the liquid level of the ink reaches the vibration region of the piezoelectric device 60, the additional inertance M 'decreases as the water level decreases. As a result, the resonance frequency fs gradually increases according to Equation 1. Accordingly, as long as the ink level is within the range of the diameter 2a of the cavity 43 (see FIG. 4C), the piezoelectric device 60 can gradually detect the ink consumption state.

図5(A)の曲線Xは、底面に配置された圧電装置60のキャビティ43を十分に浅くした場合や、側壁に配置された圧電装置60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。   A curve X in FIG. 5A is obtained when the cavity 43 of the piezoelectric device 60 disposed on the bottom surface is sufficiently shallow, or when the vibration region of the piezoelectric device 60 disposed on the side wall is sufficiently large or long. This represents the relationship between the amount of ink stored in the ink tank and the resonance frequency fs of the ink and the vibration part. It can be understood that the amount of ink in the ink tank decreases and the resonance frequency fs of the ink and the vibration part gradually changes.

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、圧電装置60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、圧電装置60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。   More specifically, the case where the process in which ink is gradually consumed can be detected refers to the presence of both liquid and gas having different densities around the vibration region of the piezoelectric device 60 and vibration. Is the case. As the ink is gradually consumed, the medium involved in vibration around the vibration region of the piezoelectric device 60 decreases in liquid while increasing in gas.

例えば、圧電装置60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tink−maxより小さいときには、圧電装置60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、圧電装置60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。
For example, when the piezoelectric device 60 is disposed horizontally with respect to the ink surface and when tink is smaller than tink-max, the medium involved in the vibration of the piezoelectric device 60 includes both ink and gas. Therefore, when the area S of the vibration region of the piezoelectric device 60 is used and the state of M′max or less in Equation 4 is expressed by the additional mass of ink and gas
M ′ = M′air + M′ink = ρair * tair / S + ρink * tink / S (Formula 8)
It becomes. Here, M′air is an inertance of air, and M′ink is an inertance of ink. ρair is the density of air, and ρink is the density of ink. tair is the thickness of air involved in vibration, and tink is the thickness of ink involved in vibration.

圧電装置60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、圧電装置60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。   Among the media involved in vibration around the vibration region of the piezoelectric device 60, as the liquid decreases and the gas increases, tair increases when the piezoelectric device 60 is arranged substantially horizontally with respect to the ink surface. Then, tink decreases. Thereby, M′var gradually decreases and the resonance frequency gradually increases. Therefore, it is possible to detect the amount of ink remaining in the ink tank or the amount of ink consumed. The reason why only the liquid density is calculated in Expression 7 is that it is assumed that the air density is negligibly small relative to the liquid density.

圧電装置60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、圧電装置60の振動領域のうち、圧電装置60の振動にかかわる媒体がインクのみの領域と、圧電装置60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。圧電装置60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、圧電装置60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。
In the case where the piezoelectric device 60 is disposed substantially perpendicular to the ink surface, among the vibration regions of the piezoelectric device 60, the region where the medium involved in the vibration of the piezoelectric device 60 is only ink and the vibration of the piezoelectric device 60. It is considered that the medium involved in the above is an equivalent circuit (not shown) in parallel with a region containing only gas. If the medium related to the vibration of the piezoelectric device 60 is Sink, the area of the ink-only region is Sink, and the area of the medium only related to the vibration of the piezoelectric device 60 is Sair is Sair.
1 / M ′ = 1 / M′air + 1 / M′ink = Sair / (ρair * tair) + Sink / (ρink * tink)
(Formula 9)
It becomes.

尚、式9は、圧電装置60のキャビティ43にインクが保持されない場合に適用される。圧電装置60のキャビティ43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。   Equation 9 is applied when ink is not held in the cavity 43 of the piezoelectric device 60. The additional inertance when ink is held in the cavity 43 of the piezoelectric device 60 can be calculated by the sum of M ′ according to Equation 9 and M′cav according to Equation 7.

圧電装置60の振動は、tink−max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圧電装置60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圧電装置の振動変化から、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、キャビティ43の径が小さい場合は、キャビティ43を通過する間の圧電装置60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、インク液面がキャビティ43より上か下かを検出する。   Since the vibration of the piezoelectric device 60 changes from the depth of tink-max to the depth d where ink remains, the piezoelectric device 60 is disposed on the bottom surface so that the ink remaining depth is slightly smaller than tink-max. If this is the case, it is not possible to detect a process in which the ink gradually decreases. In this case, a change in the ink amount is detected from a vibration change of the piezoelectric device due to a slight change in the ink amount from tink-max to the remaining depth d. Further, when the cavity 43 is arranged on the side surface and the diameter of the cavity 43 is small, the vibration change of the piezoelectric device 60 while passing through the cavity 43 is very small. Whether it is above or below 43 is detected.

例えば、図5(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圧電装置60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。   For example, the curve Y in FIG. 5A shows the relationship between the amount of ink in the ink tank and the resonance frequency fs of the ink and the vibration part in the case of a small circular vibration region. A state is shown in which the resonance frequency fs of the ink and the vibration part changes drastically between the difference Q of the ink amount before and after the liquid level of the ink in the ink tank passes through the mounting position of the piezoelectric device 60. From this, it is possible to binaryly detect whether or not a predetermined amount of ink remains in the ink tank.

圧電装置60を用いて液体の有無を検出する方法は、振動板42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、圧電装置60を用いて液体の有無を検出する方法は、インク容器への圧電装置60の取付位置及びインクの種類によって影響され難い。   Since the method of detecting the presence or absence of liquid using the piezoelectric device 60 detects the presence or absence of ink by the diaphragm 42 coming into direct contact with the liquid, the detection accuracy is higher than the method of calculating the ink consumption by software. high. Furthermore, the method of detecting the presence or absence of ink by conductivity using an electrode can be influenced by the position of the electrode attached to the ink container and the type of ink, but the method of detecting the presence or absence of liquid using the piezoelectric device 60 is It is difficult to be influenced by the attachment position of the piezoelectric device 60 to the ink container and the type of ink.

更に、単一の圧電装置60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47の振動周波数を非可聴領域に設定することで、圧電装置60の動作中に発生する音を静かにすることが好ましい。   Furthermore, since both oscillation and detection of the presence / absence of liquid can be performed using a single piezoelectric device 60, the method is compared with a method in which oscillation and detection of presence / absence of liquid are performed using different sensors. Thus, the number of sensors attached to the ink container can be reduced. Therefore, an ink container having a liquid amount detection function can be manufactured at low cost. In addition, it is preferable that the sound generated during the operation of the piezoelectric device 60 is made quiet by setting the vibration frequency of the piezoelectric layer 47 in a non-audible region.

図5(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5(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。   FIG. 5B shows an example of the relationship between the ink density and the resonance frequency fs of the ink and the vibration part. Here, ink is described as an example of a liquid, and “ink full” and “ink empty” (or “no ink”) mean two relative states, so-called ink full state and ink end state. It doesn't mean. As shown in FIG. 5B, when the ink density is high, the additional inertance increases, and therefore the resonance frequency fs decreases. That is, the resonance frequency fs varies depending on the type of ink. Therefore, by measuring the resonance frequency fs, it is possible to confirm whether or not inks having different densities are mixed when refilling the ink. That is, it is possible to identify ink tanks containing different types of ink.

続いて、インク容器内の液体が空の状態であっても圧電装置60のキャビティ43内に液体が残存するようにキャビティ43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。圧電装置60は、キャビティ43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43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。   Subsequently, when the size and shape of the cavity 43 are set so that the liquid remains in the cavity 43 of the piezoelectric device 60 even when the liquid in the ink container is empty, the state of the liquid can be accurately detected. The conditions will be described in detail. If the piezoelectric device 60 can detect the liquid state when the cavity 43 is filled with the liquid, the piezoelectric device 60 can detect the liquid state even when the cavity 43 is not filled with the liquid.

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Mact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。   The resonance frequency fs is a function of the inertance M. The inertance M is the sum of the inertance Mact and the additional inertance M ′ of the vibration part. Here, the additional inertance M ′ is related to the liquid state. The additional inertance M ′ is an amount indicating that the mass of the vibration part is apparently increased by the medium in the vicinity of the vibration part. That is, it means an increase in the mass of the vibration part due to apparent absorption of the medium by the vibration of the vibration part (inertance related to vibration increases).

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43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。   Therefore, when M ′ cav is larger than M ′ max in Equation 4, all the medium that apparently absorbs is the liquid remaining in the cavity 43. Therefore, it is the same as the state where the ink container is filled with the liquid. In this case, since the medium related to vibration does not become smaller than M'max, a change cannot be detected even if ink is consumed.

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43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、圧電装置60は、インク容器内の液体の状態を検出できる。   On the other hand, when M ′ cav is smaller than M ′ max in Equation 4, the apparently absorbing medium is the liquid remaining in the cavity 43 and the gas or vacuum in the ink container. At this time, unlike the state in which the ink container is filled with liquid, M ′ changes, so the resonance frequency fs changes. Therefore, the piezoelectric device 60 can detect the state of the liquid in the ink container.

即ち、インク容器内の液体が空の状態で、圧電装置60のキャビティ43内に液体が残存する場合に、圧電装置60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、圧電装置60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43の形状にかかわらない。   That is, when the liquid in the ink container is empty and the liquid remains in the cavity 43 of the piezoelectric device 60, the condition that the piezoelectric device 60 can accurately detect the liquid state is that M'cav is M'max. Is smaller than that. It should be noted that the condition M′max> M′cav that allows the piezoelectric device 60 to accurately detect the liquid state is not related to the shape of the cavity 43.

ここで、M’cav は、キャビティ43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、圧電装置60が液体の状態を正確に検出できる条件は、キャビティ43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43の半径をaとし、およびキャビティ43の深さをdとすると、
M’max>ρ*d/πa (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43の深さdであるキャビティ43を有する圧電装置60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43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。
Here, M′cav is the mass inertance of the liquid having a volume approximately equal to the volume of the cavity 43. Therefore, from the inequality M′max> M′cav, the condition that the piezoelectric device 60 can accurately detect the liquid state can be expressed as the capacity condition of the cavity 43. For example, if the radius of the circular cavity 43 is a and the depth of the cavity 43 is d,
M′max> ρ * d / πa 2 (Formula 10)
It is. When formula 10 is expanded, a / d> 3 * π / 8 (formula 11)
This condition is required. Therefore, if the piezoelectric device 60 has the cavity 43 that has the radius a of the opening 161 and the depth d of the cavity 43 satisfying Expression 11, the liquid in the ink container is empty and the cavity 43 has Even when the liquid remains, the state of the liquid can be detected without malfunction.

尚、式10、式11は、キャビティ43の形状が円形の場合に限り成立する。キャビティ43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をその面積と置き換えて計算すれば、キャビティ43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。 In addition, Formula 10 and Formula 11 are materialized only when the shape of the cavity 43 is circular. When the shape of the cavity 43 is not circular, the corresponding M′max formula is used, and πa 2 in the formula 10 is replaced with the area, and the relationship between the dimensions such as the width and length of the cavity 43 and the depth is calculated. Can be derived.

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、残留振動により圧電装置60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。   Since the additional inertance M ′ also affects the acoustic impedance characteristic, it can be said that the method of measuring the counter electromotive force generated in the piezoelectric device 60 due to residual vibration detects at least a change in acoustic impedance.

図6(A) および図6(B)は、圧電装置60に駆動信号を供給して振動部を振動させた後の、圧電装置60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圧電装置60の装着位置レベルにおけるインク液位の上下は、圧電装置60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6(A) および図6(B)において、縦軸は圧電装置60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。圧電装置60の残留振動によって、図6(A) および図6(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6(A)および図6(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。   6A and 6B show a residual vibration waveform of the piezoelectric device 60 and a method for measuring the residual vibration after a drive signal is supplied to the piezoelectric device 60 to vibrate the vibration part. The upper and lower levels of the ink level at the mounting position level of the piezoelectric device 60 in the ink cartridge can be detected by a change in the frequency or amplitude of the residual vibration after the piezoelectric device 60 oscillates. 6A and 6B, the vertical axis represents the voltage of the counter electromotive force generated by the residual vibration of the piezoelectric device 60, and the horizontal axis represents time. The residual vibration of the piezoelectric device 60 generates a voltage analog signal waveform as shown in FIGS. 6 (A) and 6 (B). Next, the analog signal is converted (binarized) into a digital numerical value corresponding to the frequency of the signal. In the example shown in FIGS. 6A and 6B, the time when four pulses from the fourth pulse to the eighth pulse of the analog signal are generated is measured.

より詳細には、圧電装置60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。   More specifically, after the piezoelectric device 60 oscillates, the number of times a predetermined reference voltage set in advance is crossed from the low voltage side to the high voltage side is counted. Then, a digital signal is generated with High between 4 counts and 8 counts, and the time from 4 counts to 8 counts is measured by a predetermined clock pulse.

図6(A)は、圧電装置60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6(B)は圧電装置60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6(A)と図6(B)とを比較すると、図6(A)の方が図6(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。   FIG. 6A shows a waveform when the ink level is higher than the mounting position level of the piezoelectric device 60. On the other hand, FIG. 6B shows a waveform when there is no ink at the mounting position level of the piezoelectric device 60. Comparing FIG. 6A and FIG. 6B, it can be seen that FIG. 6A has a longer time from 4 to 8 counts than FIG. 6B. In other words, the required time from 4 counts to 8 counts varies depending on the presence or absence of ink. The consumption state of ink can be detected using the difference in the required time.

アナログ波形の4カウント目から数えるのは、圧電装置60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6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。   The reason for counting from the fourth count of the analog waveform is to start measurement after the vibration of the piezoelectric device 60 is stabilized. The count from the fourth count is merely an example, and the count may be counted from an arbitrary count. Here, signals from the 4th count to the 8th count are detected, and the time from the 4th count to the 8th count is measured by a predetermined clock pulse. Based on this time, the resonance frequency can be determined. The clock pulse does not need to be measured until the eighth count, and may be counted up to an arbitrary count. In FIG. 6, the time from the 4th count to the 8th count is measured, but the time within different count intervals may be detected according to the circuit configuration for detecting the frequency.

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。   For example, when the ink quality is stable and the fluctuation of the peak amplitude is small, the resonance frequency may be obtained by detecting the time from the 4th count to the 6th count in order to increase the detection speed. . When the ink quality is unstable and the fluctuation of the pulse amplitude is large, the time from the 4th count to the 12th count may be detected in order to accurately detect the residual vibration.

図7は、圧電装置60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の所定個所に装着される。モジュール体100は、インク容器内の媒体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、インク容器内の液体の消費状態を検知するように構成されている。   FIG. 7 is a perspective view showing a configuration in which the piezoelectric device 60 is integrally formed as the mounting module body 100. The module body 100 is attached to a predetermined portion of the ink container of the ink cartridge. The module body 100 is configured to detect the consumption state of the liquid in the ink container by detecting at least a change in acoustic impedance of the medium in the ink container.

本実施形態のモジュール体100は、インク容器に圧電装置60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101は、平面がほぼ矩形の基台102と、駆動信号により発振する圧電装置60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の圧電装置60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、圧電装置60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。   The module body 100 of the present embodiment has an ink container mounting portion 101 for mounting the piezoelectric device 60 to the ink container. The ink container mounting portion 101 includes a base 102 having a substantially rectangular plane, and a cylindrical portion 116 on the base 102 that houses the piezoelectric device 60 that oscillates in response to a drive signal. Further, the module body 100 is configured such that the piezoelectric device 60 of the module body 100 cannot be contacted from the outside when mounted on the ink cartridge. Thereby, the piezoelectric device 60 can be protected from external contact. The leading edge of the cylindrical portion 116 is rounded so that it can be easily fitted into a hole formed in the ink cartridge.

図8は、図7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7参照)とを含む。さらに、モジュール体100は、リードワイヤ104a及び104b、圧電装置60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。   FIG. 8 is an exploded view of the module body 100 shown in FIG. The module body 100 includes an ink container mounting portion 101 made of resin, and a piezoelectric device mounting portion 105 (see FIG. 7) having a plate 110 and a recess 113. Furthermore, the module body 100 includes lead wires 104a and 104b, a piezoelectric device 60, and a film. Preferably, the plate 110 is made of a material that hardly rusts, such as stainless steel or a stainless alloy.

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、圧電装置60、フィルム108、及びプレート110を収容できるように開口部114の周囲に凹部113が形成されている。   The cylindrical portion 116 and the base 102 included in the ink container mounting portion 101 are formed with an opening 114 at the center so that the lead wires 104a and 104b can be accommodated, and the piezoelectric device 60, the film 108, and the plate 110 are provided. A recess 113 is formed around the opening 114 so as to be accommodated.

圧電装置60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および圧電装置60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104a及び104b、圧電装置60、フィルム108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。   The piezoelectric device 60 is joined to the plate 110 via the film 108, and the plate 110 and the piezoelectric device 60 are fixed to the recess 113 (ink container mounting portion 101). Accordingly, the lead wires 104 a and 104 b, the piezoelectric device 60, the film 108, and the plate 110 are attached integrally to the ink container attaching portion 101.

リードワイヤ104a及び104bは、それぞれ圧電装置60の上部電極端子45及び下部電極端子44と結合して、圧電層47に駆動信号を伝達する一方、圧電装置60が検出した共振周波数の信号を記録装置等へ伝達する。   The lead wires 104a and 104b are coupled to the upper electrode terminal 45 and the lower electrode terminal 44 of the piezoelectric device 60, respectively, to transmit a drive signal to the piezoelectric layer 47, while recording a signal having a resonance frequency detected by the piezoelectric device 60. Communicate to etc.

圧電装置60は、リードワイヤ104a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、圧電装置60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。   The piezoelectric device 60 oscillates temporarily based on the drive signal transmitted from the lead wires 104a and 104b. Further, the piezoelectric device 60 undergoes residual vibration after oscillation, and generates back electromotive force by the vibration. At this time, the resonance frequency corresponding to the liquid consumption state in the ink container can be detected by detecting the vibration period of the back electromotive force waveform.

フィルム108は、圧電装置60とプレート110とを接着して、圧電装置60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。圧電装置60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、圧電装置60をプレート110に接着しても、圧電装置60の振動特性は変化しない。   The film 108 bonds the piezoelectric device 60 and the plate 110 to make the piezoelectric device 60 liquid-tight. The film 108 is preferably formed of polyolefin or the like and bonded by heat fusion. By bonding and fixing the piezoelectric device 60 and the plate 110 in a planar shape with the film 108, there is no variation depending on the location of bonding, and portions other than the vibrating portion do not vibrate. Therefore, even if the piezoelectric device 60 is bonded to the plate 110, the vibration characteristics of the piezoelectric device 60 do not change.

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。圧電装置60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、圧電装置60、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102、リードワイヤ104a及び104b、圧電装置60、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、圧電装置60、フィルム108及びプレート110の中心は、モジュール体100のほぼ中心軸上に配置されている。   The plate 110 has a circular shape, and the opening 114 of the base 102 is formed in a cylindrical shape. The piezoelectric device 60 and the film 108 are formed in a rectangular shape. The lead wires 104 a and 104 b, the piezoelectric device 60, the film 108, and the plate 110 may be detachable from the base 102. The base 102, the lead wires 104 a and 104 b, the piezoelectric device 60, the film 108 and the plate 110 are arranged symmetrically with respect to the central axis of the module body 100. The centers of the base 102, the piezoelectric device 60, the film 108, and the plate 110 are disposed on the substantially central axis of the module body 100.

また、基台102の開口部114の面積は、圧電装置60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の中心で圧電装置60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2乃至図4に示したように、圧電装置60にはキャビティ43が形成されており、貫通孔112とキャビティ43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、圧電装置60のキャビティ43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。   The area of the opening 114 of the base 102 is formed larger than the area of the vibration region of the piezoelectric device 60. A through hole 112 is formed at a position facing the vibrating portion of the piezoelectric device 60 at the center of the plate 110. As shown in FIGS. 2 to 4, a cavity 43 is formed in the piezoelectric device 60, and the through hole 112 and the cavity 43 together form an ink reservoir. The thickness of the plate 110 is preferably smaller than the diameter of the through hole 112 in order to reduce the influence of residual ink. For example, it is preferable that the depth of the through hole 112 is not more than one third of the diameter. The through-hole 112 has a substantially perfect circular shape that is symmetric with respect to the central axis of the module body 100. Further, the area of the through hole 112 is larger than the opening area of the cavity 43 of the piezoelectric device 60. The peripheral edge of the cross section of the through hole 112 may be tapered or stepped.

モジュール体100は、貫通孔112がインク容器の内側へ向くように、インク容器の側部、上部又は底部に装着される。インクが消費され、圧電装置60周辺のインクがなくなると、圧電装置60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。   The module body 100 is mounted on the side, top, or bottom of the ink container so that the through hole 112 faces the inside of the ink container. When the ink is consumed and the ink around the piezoelectric device 60 is used up, a change in the ink level can be detected based on a large change in the resonance frequency of the piezoelectric device 60.

図9は、図7に示したモジュール体100を、インクカートリッジ7のインク容器20に装着したときの、インク容器20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20の側壁に形成された貫通孔に装着されている。インク容器20の側壁とモジュール体100との接合面には、Oリング90が設けられ、モジュール体100とインク容器20との液密を保っている。このようにOリング90でシールが出来るために、モジュール体100は、図7で説明したような円柱部を備えることが好ましい。   FIG. 9 is a cross-sectional view of the vicinity of the bottom of the ink container 20 when the module body 100 shown in FIG. 7 is attached to the ink container 20 of the ink cartridge 7. The module body 100 is mounted in a through hole formed in the side wall of the ink container 20. An O-ring 90 is provided on the joint surface between the side wall of the ink container 20 and the module body 100, and the module body 100 and the ink container 20 are kept liquid-tight. Since the O-ring 90 can be sealed as described above, the module body 100 preferably includes a cylindrical portion as described with reference to FIG.

モジュール体100の先端がインク容器20のインク収容空間20aに露出することで、プレート110の貫通孔112を介して、インク容器20内のインクが圧電装置60と接触する。圧電装置60の振動部の周囲が液体か気体かによって、圧電装置60の残留振動の共振周波数が異なるので、モジュール体100を用いてインクの消費状態を検出することができる。   When the tip of the module body 100 is exposed to the ink storage space 20 a of the ink container 20, the ink in the ink container 20 comes into contact with the piezoelectric device 60 through the through hole 112 of the plate 110. Since the resonance frequency of the residual vibration of the piezoelectric device 60 differs depending on whether the vibration part of the piezoelectric device 60 is liquid or gas, the ink consumption state can be detected using the module body 100.

次に、図2及び図3に示した実施形態の変形例として、図10に示したように、補助電極層48の突出部48aを、圧電層47の延出部47bよりも幅狭に形成しても良い。   Next, as a modification of the embodiment shown in FIGS. 2 and 3, the protrusion 48 a of the auxiliary electrode layer 48 is formed to be narrower than the extension 47 b of the piezoelectric layer 47 as shown in FIG. 10. You may do it.

このようにすれば、キャビティ43に対応する領域に重なる部分の補助電極層48の面積が小さくなるので、圧電装置60の振動特性を向上させることができる。また、補助電極層48を形成する材料の必要量を減らすことができるので、製造コストを低減することもできる。   In this way, the area of the auxiliary electrode layer 48 that overlaps the region corresponding to the cavity 43 is reduced, so that the vibration characteristics of the piezoelectric device 60 can be improved. Further, since the necessary amount of the material for forming the auxiliary electrode layer 48 can be reduced, the manufacturing cost can also be reduced.

また、他の変形例としては、図11に示したように、補助電極層48の突出部48aを、圧電層47の延出部47bよりも幅広に形成することもできる。これにより、キャビティ43の周縁部分を補強することができる。   As another modified example, as shown in FIG. 11, the protruding portion 48 a of the auxiliary electrode layer 48 can be formed wider than the extending portion 47 b of the piezoelectric layer 47. Thereby, the peripheral part of the cavity 43 can be reinforced.

さらに、他の変形例としては、図12乃至図14に示したように、下部電極層46、上部電極層49、及び補助電極層48を、全体として、圧電層47の本体部47aの中心を通る対称軸O、Oを持つような略対称の形状に形成することができる。このように圧電装置60を構成する複数の部材を全体として対称形状に配置することにより、圧電装置60の振動特性を向上させることができる。とりわけ、キャビティ43に対応する領域に位置する部分の下部電極層46、上部電極層49、及び補助電極層48を全体として対称形状にすることにより、圧電装置60の振動特性が向上する。 Furthermore, as another modified example, as shown in FIGS. 12 to 14, the lower electrode layer 46, the upper electrode layer 49, and the auxiliary electrode layer 48 are entirely arranged at the center of the main body portion 47a of the piezoelectric layer 47. It can be formed in a substantially symmetric shape having symmetric axes O 1 and O 2 passing therethrough. Thus, the vibration characteristics of the piezoelectric device 60 can be improved by arranging the plurality of members constituting the piezoelectric device 60 in a symmetrical shape as a whole. In particular, the vibration characteristics of the piezoelectric device 60 are improved by making the lower electrode layer 46, the upper electrode layer 49, and the auxiliary electrode layer 48 located in a region corresponding to the cavity 43 symmetrical as a whole.

次に、本発明の他の実施形態による圧電装置について図15を参照して説明する。なお、以下では、図2及び図3に示した上記実施形態と異なる部分について説明する。   Next, a piezoelectric device according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In the following description, parts different from the embodiment shown in FIGS. 2 and 3 will be described.

図15に示したように本実施形態による圧電装置70においては、下部電極層46が、キャビティ43に対応する領域の中に位置する円形の本体部46aから、キャビティ43の周縁43aに対応する位置を越えて、補助電極層48に向けて延びる延出部46cを有している。一方、補助電極層48は、その全体が、キャビティ43に対応する領域の外側に形成されている。そして、絶縁用空隙50は、下部電極層46の延出部46cと補助電極層48との間に形成されており、絶縁用空隙50の全体がキャビティ43に対応する領域の外側に位置している。   As shown in FIG. 15, in the piezoelectric device 70 according to the present embodiment, the lower electrode layer 46 is located at a position corresponding to the peripheral edge 43 a of the cavity 43 from the circular main body portion 46 a located in the region corresponding to the cavity 43. And an extending portion 46 c extending toward the auxiliary electrode layer 48. On the other hand, the auxiliary electrode layer 48 is entirely formed outside the region corresponding to the cavity 43. The insulating gap 50 is formed between the extended portion 46 c of the lower electrode layer 46 and the auxiliary electrode layer 48, and the entire insulating gap 50 is located outside the region corresponding to the cavity 43. Yes.

このように絶縁用空隙50の全体をキャビティ43に対応する領域の外側に位置させることによって、圧電装置70の駆動によってその振動部を振動させた際に、キャビティ43の周縁43aに対応する位置において圧電層47に発生する応力集中を大幅に抑制することができる。このため、圧電層47及び上部電極層49におけるクラックの発生を防止することができる。   Thus, by positioning the whole insulating gap 50 outside the region corresponding to the cavity 43, when the vibrating portion is vibrated by driving the piezoelectric device 70, the position is corresponding to the peripheral edge 43 a of the cavity 43. Stress concentration generated in the piezoelectric layer 47 can be significantly suppressed. For this reason, the generation of cracks in the piezoelectric layer 47 and the upper electrode layer 49 can be prevented.

図15に示した実施形態の変形例としては、図16に示したように、下部電極層46、上部電極層49、及び補助電極層48を、全体として、圧電層47の本体部47aの中心を通る対称軸O、Oを持つような略対称の形状に形成することができる。このように圧電装置70を構成する複数の部材を全体として対称形状に配置することにより、圧電装置70の振動特性を向上させることができる。とりわけ、キャビティ43に対応する領域に位置する部分の下部電極層46、上部電極層49、及び補助電極層48を全体として対称形状にすることにより、圧電装置70の振動特性が向上する。 As a modification of the embodiment shown in FIG. 15, as shown in FIG. 16, the lower electrode layer 46, the upper electrode layer 49, and the auxiliary electrode layer 48 as a whole are arranged at the center of the main body portion 47 a of the piezoelectric layer 47. Can be formed in a substantially symmetric shape having symmetry axes O 1 and O 2 passing through. Thus, the vibration characteristics of the piezoelectric device 70 can be improved by arranging the plurality of members constituting the piezoelectric device 70 in a symmetrical shape as a whole. In particular, the vibration characteristics of the piezoelectric device 70 are improved by making the lower electrode layer 46, the upper electrode layer 49, and the auxiliary electrode layer 48 located in a region corresponding to the cavity 43 symmetrical as a whole.

特に、本変形例においては、絶縁用空隙50をキャビティ43に対応する領域の外側に位置させているので、キャビティ43に対応する領域に位置する部分の下部電極層46、上部電極層49、及び補助電極層48の全体としての対称性が高まり、ひいては振動特性のさらなる向上を図ることができる。   In particular, in the present modification, the insulating gap 50 is positioned outside the region corresponding to the cavity 43, so that the portions of the lower electrode layer 46, the upper electrode layer 49, and the portion positioned in the region corresponding to the cavity 43, As a result, the symmetry of the auxiliary electrode layer 48 as a whole increases, and as a result, vibration characteristics can be further improved.

次に、本発明の他の実施形態としては、上述した各実施形態及び各変形例において、キャビティ43に対応する領域に位置する部分の圧電層47の形状を、圧電層47の本体部47aの中心を通る少なくとも1つの対称軸を持つような略対称の形状とすることができる。より好ましくは、キャビティ43に対応する領域に位置する部分の圧電層47の形状を、圧電層47の延出部47bの延出方向に沿って延びる第1対称軸Oと、第1対称軸Oに直交する第2対称軸Oとを持つような略対称の形状にする。 Next, as another embodiment of the present invention, in each of the above-described embodiments and modifications, the shape of the piezoelectric layer 47 in the region corresponding to the cavity 43 is changed to the shape of the main body portion 47 a of the piezoelectric layer 47. The shape may be substantially symmetrical with at least one axis of symmetry passing through the center. More preferably, the shape of the portion of the piezoelectric layer 47 located in the region corresponding to the cavity 43 is divided into a first symmetry axis O 1 extending along the extending direction of the extending portion 47 b of the piezoelectric layer 47, and the first symmetry axis. A substantially symmetrical shape having a second axis of symmetry O 2 orthogonal to O 1 is formed.

図17は、図14に示した上記例においてその圧電層47の形状を変更した例であり、図18は、図16に示した上記例においてその圧電層47の形状を変更した例を示している。   17 shows an example in which the shape of the piezoelectric layer 47 is changed in the above example shown in FIG. 14, and FIG. 18 shows an example in which the shape of the piezoelectric layer 47 is changed in the above example shown in FIG. Yes.

図17及び図18に示した例においては、圧電層47、下部電極層46、上部電極層49、及び補助電極層48を、全体として、圧電層47の本体部47aの中心を通る対称軸O、Oを持つような略対称の形状に形成している。このように圧電装置60を構成する複数の部材を全体として対称形状に配置することにより、圧電装置60の振動特性を向上させることができる。とりわけ、キャビティ43に対応する領域に位置する部分の圧電層47、下部電極層46、上部電極層49、及び補助電極層48を全体として対称形状にすることにより、圧電装置60の振動特性が向上する。 In the example shown in FIGS. 17 and 18, the piezoelectric layer 47, the lower electrode layer 46, the upper electrode layer 49, and the auxiliary electrode layer 48 as a whole have an axis of symmetry O passing through the center of the main body portion 47 a of the piezoelectric layer 47. 1 and O 2 are formed in a substantially symmetrical shape. Thus, the vibration characteristics of the piezoelectric device 60 can be improved by arranging the plurality of members constituting the piezoelectric device 60 in a symmetrical shape as a whole. In particular, the vibration characteristics of the piezoelectric device 60 are improved by making the piezoelectric layer 47, the lower electrode layer 46, the upper electrode layer 49, and the auxiliary electrode layer 48 located in a region corresponding to the cavity 43 symmetrical as a whole. To do.

特に、圧電層47は、下部電極層46、上部電極層49、及び補助電極層48に比べて比較的大きな質量を有しているので、圧電層47を対称形状にすることにより振動特性を大幅に向上させることができる。   In particular, since the piezoelectric layer 47 has a relatively large mass compared to the lower electrode layer 46, the upper electrode layer 49, and the auxiliary electrode layer 48, vibration characteristics are greatly improved by making the piezoelectric layer 47 symmetrical. Can be improved.

本発明の一実施形態によるインクカートリッジが使用されるインクジェット式記録装置の概略構成を示した斜視図である。1 is a perspective view illustrating a schematic configuration of an ink jet recording apparatus in which an ink cartridge according to an embodiment of the present invention is used. 本発明の一実施形態における圧電装置を示す図である。It is a figure which shows the piezoelectric device in one Embodiment of this invention. 図2に示した圧電装置の一部を拡大して示した断面図である。It is sectional drawing which expanded and showed a part of piezoelectric device shown in FIG. 図2及び図3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。It is a figure which shows the periphery of the piezoelectric device shown in FIG.2 and FIG.3, and its equivalent circuit. 図2及び図3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。It is a figure which shows the relationship between the resonant frequency of the ink detected by the piezoelectric apparatus shown in FIG.2 and FIG.3, and the density of ink. 図2及び図3に示した圧電装置の逆起電力波形を示す図である。It is a figure which shows the back electromotive force waveform of the piezoelectric apparatus shown in FIG.2 and FIG.3. 図2及び図3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。It is a perspective view which shows the module body incorporating the piezoelectric device shown in FIG.2 and FIG.3. 図7に示したモジュール体の構成を示す分解図である。It is an exploded view which shows the structure of the module body shown in FIG. 図7に示したモジュール体をインクカートリッジのインク容器に装着した断面の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the cross section which mounted | wore the ink container of the ink cartridge with the module body shown in FIG. 図2及び図3に示した実施形態の一変形例による圧電装置を示した図である。It is the figure which showed the piezoelectric device by the modification of embodiment shown in FIG.2 and FIG.3. 図2及び図3に示した実施形態の他の変形例による圧電装置を示した図である。It is the figure which showed the piezoelectric device by the other modification of embodiment shown in FIG.2 and FIG.3. 図2及び図3に示した実施形態の他の変形例による圧電装置を示した図である。It is the figure which showed the piezoelectric device by the other modification of embodiment shown in FIG.2 and FIG.3. 図2及び図3に示した実施形態の他の変形例による圧電装置を示した図である。It is the figure which showed the piezoelectric device by the other modification of embodiment shown in FIG.2 and FIG.3. 図2及び図3に示した実施形態の他の変形例による圧電装置を示した図である。It is the figure which showed the piezoelectric device by the other modification of embodiment shown in FIG.2 and FIG.3. 本発明の他の実施形態による圧電装置を示した図である。It is the figure which showed the piezoelectric device by other embodiment of this invention. 図15に示した実施形態の一変形例による圧電装置を示した図である。FIG. 16 is a view showing a piezoelectric device according to a modification of the embodiment shown in FIG. 15. 本発明の他の実施形態による圧電装置の一好適例を示した図である。It is the figure which showed the suitable example of the piezoelectric device by other embodiment of this invention. 本発明の他の実施形態による圧電装置の他の好適例を示した図である。It is the figure which showed the other suitable example of the piezoelectric device by other embodiment of this invention. 従来の圧電装置を示した図である。It is the figure which showed the conventional piezoelectric device. 図19に示した従来の圧電装置の一部を拡大して示した断面図である。It is sectional drawing which expanded and showed a part of conventional piezoelectric device shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

7 インクカートリッジ
20 インク容器
46 下部電極層
46a 下部電極層の本体部
46b 下部電極層の延出部
47 圧電層
47a 圧電層の本体部
47b 圧電層の延出部
48 補助電極層
48a 補助電極層の突出部
49 上部電極層
49a 上部電極層の本体部
49b 上部電極層の延出部
60、70 圧電装置
7 Ink cartridge 20 Ink container 46 Lower electrode layer 46a Lower electrode layer body portion 46b Lower electrode layer extension portion 47 Piezoelectric layer 47a Piezoelectric layer body portion 47b Piezoelectric layer extension portion 48 Auxiliary electrode layer 48a Auxiliary electrode layer Projection 49 Upper electrode layer 49a Upper electrode layer main body 49b Upper electrode layer extension 60, 70 Piezoelectric device

Claims (3)

互いに対向する第1面及び第2面を有する基部であって、検出対象の媒体を受け入れるためのキャビティが、前記第1面側に開口するようにして形成され、前記キャビティの底面部が振動可能に形成されている基部と、
前記第2面側に形成され、前記キャビティに対応する領域の中に形成された本体部を含む第1電極層と、
前記第1電極層に積層された圧電層であって、前記キャビティに対応する領域の中に形成された本体部と、前記本体部から前記キャビティの周縁に対応する位置を越えて延びる延出部と、を有する圧電層と、
前記基部の前記第2面側に形成され、少なくとも一部が前記第2面と前記圧電層の前記延出部との間に位置して前記圧電層の前記延出部を支持する補助電極層と、
前記圧電層に積層されると共に前記補助電極層に接続された第2電極層と、を備え、
前記キャビティに対応する領域に位置する部分の前記第1電極層、前記第2電極層、及び前記補助電極層は、全体として、前記第2面の面内に規定される対称軸であって前記圧電層の前記本体部の中心を通り且つ互いに直交する2つの対称軸を持つ対称の形状を成しており、前記2つの対称軸は、前記圧電層の前記延出部の延出方向に沿って延びる第1対称軸と、前記第1対称軸に直交する第2対称軸とを含む、ことを特徴する圧電装置。
A base portion having a first surface and a second surface facing each other, and a cavity for receiving a medium to be detected is formed so as to open to the first surface side, and the bottom surface portion of the cavity can vibrate A base formed in the
A first electrode layer formed on the second surface side and including a main body formed in a region corresponding to the cavity;
A piezoelectric layer laminated on the first electrode layer, the main body formed in a region corresponding to the cavity, and an extension extending from the main body beyond a position corresponding to the periphery of the cavity And a piezoelectric layer having
An auxiliary electrode layer that is formed on the second surface side of the base portion, and at least a part of the auxiliary electrode layer is located between the second surface and the extension portion of the piezoelectric layer and supports the extension portion of the piezoelectric layer. When,
A second electrode layer laminated on the piezoelectric layer and connected to the auxiliary electrode layer,
The portion of the first electrode layer, the second electrode layer, and the auxiliary electrode layer located in a region corresponding to the cavity has a symmetry axis defined in the plane of the second surface as a whole, and The piezoelectric layer has a symmetrical shape having two symmetry axes that pass through the center of the main body portion and are orthogonal to each other, and the two symmetry axes extend along the extending direction of the extending portion of the piezoelectric layer. And a second symmetry axis perpendicular to the first symmetry axis. A piezoelectric device comprising:
前記キャビティに対応する領域に位置する部分の前記圧電層は、前記2つの対称軸を持つ対称の形状を成していることを特徴する請求項1記載の圧電装置。   2. The piezoelectric device according to claim 1, wherein a portion of the piezoelectric layer located in a region corresponding to the cavity has a symmetrical shape having the two symmetry axes. 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において、
インクを収容するインク容器と、
請求項1又は2に記載の圧電装置と、を備え、
前記圧電装置の前記キャビティがインクカートリッジ内のインクと接触可能に配置されていることを特徴とするインクカートリッジ。
In an ink cartridge used in an ink jet recording apparatus,
An ink container for containing ink;
A piezoelectric device according to claim 1 or 2,
An ink cartridge, wherein the cavity of the piezoelectric device is disposed so as to be in contact with ink in an ink cartridge.
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