JP2008045958A - 液体検出装置及び同装置を備えた液体容器 - Google Patents

Abstract

【課題】液体の有無を確実に判定できる液体検出装置及び同装置を備えた液体容器を提供する。
【解決手段】本発明の液体検出装置は、検出対象の媒体を受け入れるキャビティ４３がその第１面側に形成され、キャビティ４３の底面が振動可能に形成されている振動キャビティ形成基部４０と、振動キャビティ形成基部４０の第２面側に形成された第１電極４６、第１電極４６に積層された圧電層４７、及び圧電層４７に積層された第２電極４９を有する圧電素子と、を備える。キャビティ４３の平面形状は、長手方向寸法及び長手方向寸法よりも短い幅方向寸法を有する。第１電極４６は、キャビティ４３に対応する領域の略全体を覆うようにして形成されている。第２電極４９は、キャビティ４３の４つの隅部に対応する部分を切り欠くようにして略十字状に形成され、長手方向中央部の総幅長Ｗ_ＣＴが該中央部の長手方向近傍の準中央部の総幅長Ｗ_ＥＴより短く形成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、液体検出装置及び同装置を備えた液体容器に係わり、特に、液体噴射装置における液体残量の検出に適した液体検出装置及び同装置を備えた液体容器に関する。

従来の液体噴射装置の代表例としては、画像記録用のインクジェット式記録ヘッドを備えたインクジェット式記録装置がある。その他の液体噴射装置としては、例えば液晶ディスプレー等のカラーフィルタ製造に用いられる色材噴射ヘッドを備えた装置、有機ＥＬディスプレー、面発光ディスプレー（ＦＥＤ）等の電極形成に用いられる電極材（導電ぺースト）噴射ヘッドを備えた装置、バイオチップ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッドを備えた装置、精密ピペットとしての試料噴射ヘッドを備えた装置等が挙げられる。

液体噴射装置の代表例である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カ発生手段と、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。

インクジェット式記録装置では、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。インク容器は、例えばインクが消費された時点でユーザー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。

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ェ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。

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。

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ので、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ことになるので、検出可能なインクの種類が限定されてしまったり、電極のシール構造が複雑化してしまうという欠点がある。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。

上記の課題を解決すべく開発された装置が、特開２００１−１４６０２４号に圧電装置として開示されている。この圧電装置は、液体残量を正確に検出でき、且つ複雑なシール構造を不要としたものであり、液体容器に装着して使用することができる。

即ち、特開２００１−１４６０２４号に記載の圧電装置によれば、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、駆動パルスにより強制的に振動させた後の圧電装置の振動部の残留振動（自由振動）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。

図１３は、上述した従来の圧電装置を構成するアクチュエータを示している。このアクチュエータ１０６は、ほぼ中央に円形状の開口１６１を有する基板１７８と、開口１６１を被覆するように基板１７８の一方の面（以下、「表面」という。）に配置される振動板１７６と、振動板１７６の表面の側に配置される圧電層１６０と、圧電層１６０を両方からはさみこむ上部電極１６４及び下部電極１６６と、上部電極１６４と電気的に結合する上部電極端子１６８と、下部電極１６６と電気的に結合する下部電極端子１７０と、上部電極１６４及び上部電極端子１６８の間に配設され両者を電気的に結合する補助電極１７２とを有する。

圧電層１６０、上部電極１６４及び下部電極１６６は、それぞれの本体部としての円形部分を有する。そして、圧電層１６０、上部電極１６４及び下部電極１６６のそれぞれの円形部分が、圧電素子を形成している。

振動板１７６は、基板１７８の表面に、開口１６１を覆うように形成される。振動板１７６のうち実際に振動する振動領域は、開口１６１によって決定される。キャビティ１６２は、開口１６１と面する振動板１７６の部分と基板（キャビティ形成部材）１７８の開口１６１とによって形成される。圧電素子とは反対側の基板１７８の面（以下、「裏面」という。）は、インク容器内方に面している。これにより、キャビティ１６２は液体（インク）と接触するように構成されている。なお、キャビティ１６２内に液体が入っても基板１７８の表面側に液体が漏れないように、振動板１７６は基板１７８に対して液密に取り付けられている。

そして、上述した従来の技術におけるアクチュエータ１０６では、圧電素子に駆動パルスを印加して振動部を強制的に振動させた後に生じる振動部の残留振動（自由振動）が、同じ圧電素子によって逆起電カとして検出される。そして、インク容器内の液面がアクチュエータ１０６の設置位置（厳密にはキャビティ１６２の位置）を通過する前後で振動部の残留振動状態が変化すること利用して、インク容器内のインク残量を検出することができる。

また、特開２００１−１４６０２４号の図６乃至図８には、上部電極及び下部電極の引き出し方向におけるキャビティの長さを、これに直交する方向の長さよりも長くした構成が示されている。
特開２００１−１４６０２４号公報

上述した従来のアクチュエータ（圧電装置）１０６は、図１４に示したようにインクカートリッジ１８０の容器本体１８１の容器壁に装着され、検出対象のインクを受け入れるキャビティ１６２をインク容器１８０内部のインク貯留空間に露出させるように構成されている。

ところが、従来のアクチュエータ（圧電装置）１０６においては、前記の如くインクカートリッジ１８０内部のインク貯留空間にキャビティ１６２を露出させるように構成されていたため、振動等によってインクカートリッジ１８０内部のインクが泡立つと、アクチュエータ１０６のキャビティ１６２内に気泡が容易に進入してしまう。このようにキャビティ１６２に気泡が進入してそこに滞留すると、インクカートリッジ１８０のインク残量が十分であるにもかかわらず、アクチュエータ１０６により検出される残留振動の共振周波数が速くなり、液面がアクチュエータ１０６の位置を通過してインク残量が少なくなったものと誤判定するという問題があった。

また、液面の通過タイミングを精度良く検出するためにアクチュエータ１０６のキャビティ１６２の寸法を小さくすると、キャビティ１６２内にインクのメニスカスが形成されやすくなる。このため、インクの消費により液面がキャビティ１６２の位置を通過したにもかかわらず、キャビティ１６２の内部にインクが残留することにより、液面がアクチュエータ１０６の位置を通過しておらずインク残量が十分にあるものと誤判定するという問題があった。

上記の問題を解決するためには、本出願人により出願された特願２００４−１２２７６３号で提案されているように、キャビティにインクを供給するためのインク供給路と、キャビティからインクを排出するためのインク排出路とを液体検出装置に設けることが考えられる。

しかしながら、液体検出装置のキャビティの平面形状が円形或いは正方形の場合、インク供給路及びインク排出路を設けても、キャビティの内部にインクや気泡が滞留し易い領域ができてしまい、インクや気泡の排出性を十分に確保することができないという問題があった。

一方、特開２００１−１４６０２４号の図６乃至図８に示されているようにキャビティの平面形状が一方向に長い場合、圧電素子に駆動パルスを印加した後に振動部に生じる残留振動（自由振動）の中に、本来の検出対象としての残留振動とは異なる不要振動が含まれてしまい、その結果、インクの有無の判定を確実に行うことが難しくなるという問題がある。

このような不要振動が発生する原因は、圧電素子に駆動パルスを印加した際に振動部に生じる強制振動と、強制振動後に振動部に生じる残留振動（自由振動）との間で、それらの振動モードの相違が大きいためと考えられる。
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、液体の有無を確実に判定することができる液体検出装置及び同装置を備えた液体容器を提供することを目的とする。

本発明に係る上記目的は、下記構成により達成される。
（１） 互いに対向する第１面及び第２面を有する振動キャビティ形成基部であって、
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が振動可能に形成されている振動キャビティ形成基部と、
前記振動キャビティ形成基部の前記第２面側に形成された第１電極、前記第１電極に積層された圧電層、及び前記圧電層に積層された第２電極を有する圧電素子と、を備え、
前記キャビティの平面形状は、長手方向寸法及び前記長手方向寸法よりも短い幅方向寸法を有し、
前記第１電極は、前記キャビティに対応する領域の略全体を覆うようにして形成され、
前記第２電極は、前記キャビティの４つの隅部に対応する部分を切り欠くようにして略十字状に形成されているとともに長手方向中央部の総幅長が該中央部の長手方向近傍の準中央部の総幅長より短く形成されている液体検出装置。

（２） 前記キャビティは、互いに直交する第１対称軸及び第２対称軸を有し、前記幅方向寸法は前記第１対称軸に沿った寸法であり、前記長手方向寸法は前記第２対称軸に沿った寸法である（１）記載の液体検出装置。

（３） 前記振動キャビティ形成基部の前記第１面側に積層された出入口形成板であって、
前記キャビティに検出対象の液体を供給する液体供給口と、
前記キャビティから検出対象の液体を排出する液体排出口とが形成された出入口形成板をさらに有する（１）又は（２）に記載の液体検出装置。

（４） 前記液体供給口及び前記液体排出口が前記キャビティの長手方向の両端部に対応する位置に配置されている（３）記載の液体検出装置。

（５） 前記液体供給口及び前記液体排出口が前記キャビティに対応する領域の内側に形成されている（３）又は（４）に記載の液体検出装置。

（６） 前記振動キャビティ形成基部は、前記キャビティを形成する貫通孔が形成されたキャビティ板と、前記キャビティ板に積層された振動板と、を有する（１）乃至（５）のいずれか一項に記載の液体検出装置。

（７） 前記圧電層は、その全体が前記キャビティに対応する領域の内側に形成されている（１）乃至（６）のいずれか一項に記載の液体検出装置。

（８） 前記キャビティの長手方向における前記圧電層の寸法は前記キャビティの前記長手方向寸法よりも大きく、前記圧電層は、前記キャビティの長手方向において前記キャビティをその全長にわたって覆うように形成されている（１）乃至（６）のいずれか一項に記載の液体検出装置。

（９） 内部に貯留した液体を外部に送出する液体送出口を有する容器本体と、前記容器本体に装着された液体検出装置と、を備えた液体容器であって、
前記液体検出装置は、
互いに対向する第１面及び第２面を有する振動キャビティ形成基部であって、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が振動可能に形成されている振動キャビティ形成基部と、
前記振動キャビティ形成基部の前記第２面側に形成された第１電極、前記第１電極に積層された圧電層、及び前記圧電層に積層された第２電極を有する圧電素子と、を備え、
前記キャビティの平面形状は、長手方向寸法及び前記長手方向寸法よりも短い幅方向寸法を有し、
前記第１電極は、前記キャビティに対応する領域の略全体を覆うようにして形成され、
前記第２電極は、前記キャビティの４つの隅部に対応する部分を切り欠くようにして略十字状に形成されているとともに長手方向中央部の総幅長が該中央部の長手方向近傍の準中央部の総幅長より短く形成されている液体容器。

本発明に係る液体検出装置によれば、キャビティ内での気泡の滞留やインクの残留を防止する上で好適なキャビティ形状を採用すると共に、振動部の残留振動時における不要振動の発生を防止して、液体の有無を確実に判定することができる液体検出装置及び同装置を備えた液体容器を提供することができる。

本発明に係る液体容器によれば、キャビティ内での気泡の滞留やインクの残留を防止する上で好適なキャビティ形状を採用すると共に、キャビティの長手方向の両端部に対応する位置に液体供給口及び液体排出口を設けることにより、キャビティ内での気泡の滞留やインクの残留を防止して、液体の有無を確実に判定することができる液体検出装置及び同装置を備えた液体容器を提供することができる。

以下、本発明に係る液体検出装置及び同装置を備えたインクカートリッジ（液体容器）の好適な実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本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（液体噴射装置）の概略構成を示し、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。

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１２が搭載され、またその上部には記録ヘッド１２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。

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、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。

そして、キャップ部材３１における印宇領域側の近傍には、ゴムなどの弾一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。

図２乃至図７は、本実施形態による液体検出装置６０を示した図であり、この液体検出装置６０は、図５に示したようにキャビティ板４１に振動板４２を積層して構成された振動キャビティ形成基部４０を有し、この振動キャビティ形成基部４０は、互いに対向する第１面４０ａ及び第２面４０ｂを有する。

振動キャビティ形成基部４０には、検出対象の媒体（インク）を受け入れるためのキャビティ４３が、第１面４０ａ側に開口するようにして形成され、キャビティ４３の底面部４３ａが振動板４２にて振動可能に形成されている。換言すれば、振動板４２全体のうちの実際に振動する部分は、キャビティ４３によってその輪郭が規定されている。

図２に示したようにキャビティ４３の平面形状は、互いに直交する第１対称軸Ｏ１及び第２対称軸Ｏ２を有すると共に、第２対称軸Ｏ２に沿った長手方向寸法が第１対称軸Ｏ１に沿った幅方向寸法よりも長く設定されている。

振動キャビティ形成基部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。

さらに、振動キャビティ形成基部４０の第２面４０ｂには下部電極（第１電極）４６が形成され、この下部電極４６は、キャビティ４３と略同形で且つキャビティ４３よりも大きな寸法にて形成された本体部４６ａと、この本体部４６ａから下部電極端子４４の方向に延出して下部電極端子４４に接続された延出部４６ｂとを有する。下部電極４６の本体部４６ａは、キャビティ４３に対応する領域の略全体を覆っている。

この下部電極４６の本体部４６ａは、キャビティ４３の周縁４３ａに対応する位置よりも内側に入り込むようにして形成された切欠き部４６ｃを含んでいる。

下部電極４６の上には圧電層４７が積層され、この圧電層４７は、キャビティ４３と略同形で且つキャビティ４３よりも小さな寸法にて形成されている。図２から分かるように、圧電層４７はその全体がキャビティ４３に対応する領域の範囲内に収まっている。換言すれば、圧電層４７は、キャビティ４３の周縁４３ａに対応する位置を横切って延在する部分をまったく有していない。

圧電層４７は、キャビティ４３と共通する第１対称軸Ｏ１及び第２対称軸Ｏ２を有し、下部電極４６の切欠き部４６ｃに対応する部分を除いてその略全体が下部電極４６の上に積層されている。

また、振動キャビティ形成基部４０の第２面４０ｂ側には補助電極４８が形成されている。この補助電極４８は、キャビティ４３に対応する領域の外側から、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に対応する領域の内部まで延在する。補助電極４８の一部は、第１電極４６の切欠き部４６ｃの内部に位置して圧電層４７の一部を基板４０の第２面４０ｂ側から支持している。この補助電極４８は、好ましくは、下部電極４６と同じ材質で且つ同じ厚さを有している。このように補助電極４８によって圧電層４７の一部を基板４０の第２面４０ｂ側から支持することによって、圧電層４７に段差が生じないようにして機械的強度の低下を防止することができる。

圧電層４７には、上部電極（第２電極）４９の本体部４９ａが積層され、この上部電極４９は、全体として圧電層４７よりも小さな寸法にて形成されている。また、上部電極４９は、本体部４９ａから延出して補助電極４８に接続された延出部４９ｂを有している。

そして、本実施形態においては、図２及び図６（ｂ）に示したように、上部電極４９が、キャビティ４３の４つの隅部に対応する部分を切り欠くようにして略十字状に形成され、キャビティ４３と共通する第１対称軸Ｏ１及び第２対称軸Ｏ２を有している。

下部電極４６、圧電層４７、及び上部電極４９によって圧電素子が形成されている。上述したように圧電層４７は上部電極４９と下部電極４６とによって挟みこまれる構造となっており、これにより圧電層４７は効果的に変形駆動される。

これに加え、略十字状に形成された上部電極４９は、切り欠かれていない部分、すなわち第１対称軸Ｏ１に沿って延びた部分（略中央部）において、第２対称軸Ｏ２に沿う方向である長手方向の中央部の総幅長Ｗ_ＣＴが、該中央部の長手方向近傍（長手方向両側）の準中央部の総幅長Ｗ_ＥＴより短く形成されている（Ｗ_ＣＴ＜Ｗ_ＥＴ）。圧電層４７は、材料の緻密度を高めることで、静電容量を大きくし、耐衝撃性を高めることができる。また、リークを生じ難くし、耐湿性能を高めることもできる。

ところが、緻密度を高めた圧電層４７では、製造工程において、通常駆動時の印加電圧（３４Ｖ程度）より大きい電圧（１２０〜１３０Ｖ程度）を印加して分極処理を行う際、変形量が大きくなり、線膨張係数の違う上部電極４９との異種材料同士の積層構造とも相俟って、中央部に応力が集中し、クラックの発生してしまうことがある。このようなクラックが発生すれば後工程へ重大な影響を及ぼすこととなり、歩留まりを低下させる要因ともなった。

本実施の形態による上部電極４９は、上記した中央部の総幅長Ｗ_ＣＴをその長手方向近傍に位置する準中央部の総幅長Ｗ_ＥＴより短く形成することで、分極電圧印加時において、中央部及び準中央部を含む略中央部における変形量を小さく制御して、このような略中央部への応力の集中を緩和させることができる。この結果、圧電層４７中央部における応力集中を低減させて、クラックの発生を防止し、歩留まりを向上させることができる。

図２及び図５から分かるように、上部電極４９は補助電極４８を介して上部電極端子４５に電気的に接続されている。このように補助電極４８を介して上部電極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４６の合計の厚さから生じる段差を、上部電極４９と補助電極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。

圧電層４７と電気的に接続された下部電極４６の本体部４６ａ及び上部電極４９の本体部４９ａのうち、上部電極４９の本体部４９ａの方が小さな寸法にて形成されている。従って、上部電極４９の本体部４９ａが、圧電層４７のうちで圧電効果を発生する部分の範囲を決定することになる。

圧電層４７、上部電極４９の本体部４９ａ、及び下部電極４６の本体部４６ａは、それらの中心がキャビティ４３の中心と一致している。また、振動板４２の振動可能な部分を決定するキャビティ４３の中心は、液体検出装置６０の全体の中心に位置している。

キャビティ４３によって規定される振動板４２の振動可能な部分、下部電極４６の本体部４６ａのうちのキャビティ４３に対応する部分、圧電層４７、並びに上部電極４９全体のうちのキャビティ４３に対応する部分は、液体検出装置６０の振動部６１を構成する。そして、この液体検出装置６０の振動部６１の中心は、液体検出装置６０の中心と一致する。

さらに、図５及び図４に示したように、本実施形態による液体検出装置６０は、振動キャビティ形成基部４０の第１面４０ａに積層され接合された出入口形成板５０を備えている。この出入口形成板５０には、キャビティ４３に検出対象のインクを供給するインク供給口（液体供給口）５１と、キャビティ４３から検出対象のインクを排出するインク排出口（液体排出口）５２とが形成されている。

インク供給口５１及びインク排出口５２は、キャビティ４３に対応する領域の内側にて、キャビティ４３の長手方向の両端部に対応する位置に配置されている。また、キャビティ４３の長手方向の端縁部において、インク供給口５１及びインク排出口５２の各縁部が整合している。インク供給口５１とインク排出口５２とは、互いに同形同大にて形成されている。

上述したようにインク供給口５１及びインク排出口５２をキャビティ４３の長手方向の両端部に対応する位置に配置することにより、インク供給口５１とインク排出口５２との間の距離が大きくなり、液体検出装置６０の容器本体への装着が容易となる。また、インク供給口５１及びインク排出口５２をキャビティ４３に対応する領域の内側に配置することにより、液体検出装置６０の小型化を図ることができる。

液体検出装置６０に含まれる部材、特にキャビティ板４１、振動板４２、及び出入口形成板５０は、同一材質で形成されると共に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。このように複数の基板を焼成して一体化することによって、液体検出装置６０の取り扱いが容易になる。また、各部材を同一材質で形成することによって、線膨張係数の違いによるクラックの発生を防止することができる。

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）、又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。キャビティ板４１の材料としては、ジルコニア又はアルミナを用いることが好ましい。また、振動板４２には、キャビティ板４１と同じ材料を用いることが好ましい。上部電極４９、下部電極４６、上部電極端子４５及び下部電極端子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。

図８は、上述した液体検出装置６０が装着されたインクカートリッジ（液体容器）７０を示し、このインクカートリッジ７０は、内部に貯留したインクを外部に送出するインク送出口（液体送出口）７１を有する容器本体７２を備えている。

液体検出装置６０はその全体が容器本体７２の外側に装着され、容器本体７２の容器壁には、液体検出装置６０のインク供給口５１に連通する第１開口７３と、インク排出口５２に連通する第２開口７４とが貫通形成されている。

容器本体７２の内部は、容器本体７２の内部空間全体のうちの主要な部分を構成する主貯留室（第１室）７５と、この主貯留室７５よりも小さな容積を有する副貯留室（第２室）７６とに区画され、主貯留室７５と副貯留室７６とは互いに分離されている。副貯留室７６は、インク消費時のインクの流れ方向において主貯留室７５よりもインク送出口７１に近い側に位置すると共に、インク送出口７１に連通している。

容器本体７２の容器壁に形成された第２開口７４は、副貯留室７６の上端部に連通している。上述したように第２開口７４には、液体検出装置６０のインク排出口５２の出口５２ｂが接続されている。

主貯留室７５の内部には、密閉された補助流路７７が形成され、この補助流路７７の下端側には補助流路入口７７ａが形成されている。補助流路入口７７ａは、主貯留室７５の内部の下端に位置している。また、補助流路７７の上端部に、容器本体７２の容器壁に形成された第１開口７３が連通し、この第１開口７３が補助流路７７の出口を構成している。

上述したように液体検出装置６０のインク供給口５１が第１開口７３に連通し、インク排出口５２が第２開口７４に連通し、これにより、液体検出装置６０のインク供給口５１及びインク排出口５２が主貯留室７５と副貯留室７６とを連絡する連絡流路を形成している。

そして、インクカートリッジ７０内のインクが消費される際には、主貯留室７５内のインクは、補助流路入口７７ａから補助流路７７内に流入し、この補助流路７７を通って第１開口７３へと流れる。第１開口７３から流出したインクは、液体検出装置６０のインク供給口５１からキャビティ４３に流入し、キャビティ４３を通ってインク排出口５２から流出する。インク排出口５２から流出したインクは、第２開口７４を介して副貯留室７６内に流入する。そして、副貯留室７６内に流入したインクが、インク送出口７１を介してインクジェット式記録装置の記録ヘッド１２へ供給される。

このように本実施形態においては、副貯留室７６を通ってインク送出口７１に送られるインクの全量が、事前に液体検出装置６０のインク供給口５１及びインク排出口５２を通過するように構成されている。

上述した液体検出装置６０を備えたインクカートリッジ７０においては、容器本体７２にインクが十分に残っており、副貯留室７６の内部がインクで満たされている場合には、キャビティ４３内はインクによって満たされている。一方、インクカートリッジ７の容器本体７２内の液体が消費され、主貯留室７５内のインクがなくなると、副貯留室７６内の液面が低下し、液体検出装置６０のキャビティ４３の位置よりも下方まで液面が降下すると、キャビティ４３内にインクが存在しない状態となる。

そこで、液体検出装置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、液体検出装置６０は、容器本体７２にインクが十分に残っている状態であるか、或いはある一定以上のインクが消費された状態であるか、を検知することができる。

より具体的には、液体検出装置６０において、上部電極端子４５及び下部電極端子４４を介して上部電極４９と下部電極４６との間に電圧を印加する。すると、圧電層４７のうち、上部電極４９及び下部電極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が変形する。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（キャビティ４３の底面部４３ａに対応する領域）に、たわみ振動が生じる。このようにして圧電層４７を強制的に変形させた後、電圧の印加を解除すると、しばらくは、たわみ振動が液体検出装置６０の振動部６１に残留する。

この残留振動は、液体検出装置６０の振動部６１とキャビティ４３内の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或いは矩形波とすることで、電圧を印加した後の振動部６１と媒体との共振状態を容易に得ることができる。この残留振動は、液体検出装置６０の振動部６１の振動であり、圧電層４７の変形を伴う。このため、残留振動に伴って圧電層４７は逆起電力を発生する。この逆起電カは、上部電極４９、下部電極４６、上部電極端子４５及び下部電極端子４４を介して検出される。このようにして検出された逆起電力によって共振周波数が特定できるので、この共振周波数に基づいてインクカートリッジ７の容器本体７２内のインクの有無を検出することができる。

図９（ａ）、（ｂ）は、液体検出装置６０に駆動信号を供給して振動部６１を強制的に振動させた場合における、液体検出装置６０の振動部６１の残留振動（自由振動）の波形と残留振動の測定方法とを示している。図９（ａ）は、液体検出装置６０のキャビティ４３内にインクがあるときの波形であり、一方、図９（ｂ）は液体検出装置６０のキャビティ４３内にインクがないときの波形である。

図９（ａ）、（ｂ）において、縦軸は液体検出装置６０に加えられる駆動パルス及び液体検出装置６０の振動部６１の残留振動によって発生した逆起電カの電圧を示し、横軸は経過時間を示す。液体検出装置６０の振動部６１の残留振動によって、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９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。

より詳細には、液体検出装置６０に駆動パルスを印加して振動部６１を強制的に振動させた後、残留振動による電圧波形が、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。

図９（ａ）と図９（ｂ）とを比較すると、図９（ａ）の方が図９（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、液体検出装置６０のキャビティ４３における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。

アナログ波形の４カウント目から数えるのは、液体検出装置６０の残留振動（自由振動）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９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。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。

このように本実施形態による液体検出装置６０においては、液体検出装置６０の装着位置レベル（厳密にはキャビティ４３の位置）を液面が通過したか否かについて、液体検出装置６０の振動部６１を強制的に振動させた後の残留振動の周波数の変化や振幅の変化によって検出することができる。

そして、本実施形態においては、上述したようにキャビティ４３の４つの隅部に対応する部分を切り欠くようにして上部電極４９を略十宇状に形成したので、圧電素子に駆動パルスを印可して強制的に変形させた場合でも、キャビティ４３の４つの隅部に対応する部分の変形量が小さい。これにより、強制振動時の振動モードと強制振動後の残留振動（自由振動）時の振動モードとが近いモードになる。

以上述べたように本実施形態による液体検出装置６０においては、上部電極４９を略十字状に形成することにより、強制振動時の振動モードと強制振動後の残留振動時の振動モードとを近いモードとしたので、キャビティ４３の形状を前記の如く細長い形状としたにもかかわらず、検出信号の中の不要振動成分が低減され、これによりインクの有無の判定を確実に行うことができる。
これに加え、上部電極４９の切り欠かれていない部分（略中央部）における中央部の総幅長Ｗ_ＣＴをその長手方向近傍の準中央部の総幅長Ｗ_ＥＴより短く形成したので、分極電圧印加時において、略中央部への応力の集中を緩和させることができ、クラックの発生を防止し、歩留まりを向上させることができる。

また、本実施形態においては、キャビティ４３へのインクの供給がインク供給口５１を介して行われ、キャビティ４３からのインクの排出がインク排出口５２を介して行われるので、インクカートリッジ７０に液体検出装置６０を装着する際には、インクカートリッジ７０の容器本体７２内のインク収容空間に液体検出装置６０のキャビティ４３を露出させることなく、インク供給口５１を介して容器本体７２内のインクをキャビティ４３に供給することができる。

このため、インクカートリッジ７０内のインクの消費時に、液体検出装置６０のインク供給口５１及びインク排出口５２を介してキャビティ４３内にインクの流れが生じるように構成することで、もし仮にキャビティ４３の内部に気泡が進入したとしても、インクの流れによってキャビティ４３内から気泡が押し出される。これにより、キャビティ４３内に気泡が滞留することによる液体検出装置６０の誤検出を防止することができる。

しかも、本実施形態によれば、キャビティ４３の形状を円形や正方形ではなく細長い形状としたので、キャビティ４３の長手方向の両端部にインク供給口５１及びインク排出口５２を配置することにより、キャビティ４３の内部にインクや気泡が滞留し難くなる。これにより、インクや気泡の排出性を十分に確保することが可能であり、インクの有無の判定を確実に行うことができる。

また、本実施形態による液体検出装置６０においては、キャビティ４３を容器本体７２内のインク収容空間に露出させる必要がないので、液面通過時にキャビティ４３内にメニスカスが形成されることを防止できる。これにより、キャビティ４３内でのインクの残留による液体検出装置６０の誤検出を防止することができる。

また、本実施形態によるインクカートリッジ７０においては、容器本体７２の内部を、互いに分離された主貯留室７５と副貯留室７６とに区画すると共に、液体検出装置６０のインク供給口５１及びインク排出口５２を介して主貯留室７５と副貯留室７６とを連絡し、液体検出装置６０のキャビティ４３を副貯留室７６の上端部に配置するようにした。

このため、主貯留室７５内のインクが無くなった時点を液体検出装置６０によって確実に検出することができるので、ユーザーにインクエンドが近づいていることを報知できる。さらに、予め分かっている副貯留室７６内のインク量に基づいて、残存インクでの印刷可能枚数等をユーザーに知らせることが可能であり、１ぺ一ジの途中でインクが無くなって印刷用紙を無駄にしてしまうようなことを防止できる。

また、本実施形態によるインクカートリッジ７０においては、密閉された補助流路７７を主貯留室７５の内部に形成し、補助流路７７の補助流路入口７７ａを主貯留室７５の下端に位置させると共に、補助流路７７の上端部に液体検出装置６０のインク供給口５１の入口５１ｂを連通させるようにした。このため、主貯留室７５内で発生した気泡は補助流口７７の内部に進入し難く、液体検出装置６０のキャビティ４３への気泡の進入を防止することができる。

さらに、本実施形態によるインクカートリッジ７０においては、主貯留室７５内のインクがすべて消費されるまで、副貯留室７６の内部はインクで満たされた状態にあるので、インクカートリッジ７０に振動が加えられた場合でも、主貯留室７５内にインクが残っている限りは副貯留室７６内で液面が揺れるということがない。従って、液面の揺れによって液体検出装置６０が誤検出を起こすことを防止することができる。

また、本実施形態による液体検出装置６０によれば、振動部６１と液体とが接触する範囲が、キャビティ４３が存在する範囲に限られているので、液体の検出をピンポイントで行うことが可能であり、これにより、インクレベルを高精度にて検出することができる。

また、キャビティ４３に対応する領域の略全体を下部電極４６の本体部４６ａで覆うようにしたので、強制振動時の変形モードと自由振動時の変形モードとの相違が小さくなる。また、液体検出装置６０の振動部６１が液体検出装置６０の中心に対して対称な形状であるので、この振動部６１の剛性はその中心から見てほぼ等方的となる。

このため、構造の非対称性から生じ得る不要な振動の発生が抑制される共に、強制振動時と自由振動時との間の変形モードの相違による逆起電力の出力低下が防止される。これにより、液体検出装置６０の振動部６１における残留振動の共振周波数の検出精度が向上すると共に、振動部６１の残留振動の検出が容易になる。

また、キャビティ４３に対応する領域の略全体をキャビティ４３よりも大きな寸法の下部電極４６の本体部４６ａで覆うようにしたので、製造時における下部電極４６の位置ズレに起因する不要振動の発生が防止され、検出精度の低下を防止することができる。

また、硬いが脆弱な圧電層４７の全体がキャビティ４３に対応する領域の内部に配置され、キャビティ４３の周縁４３ａに対応する位置には圧電層４７が存在しない。このため、キャビティの周縁に対応する位置での圧電層のクラックの問題がない。

次に、本発明の他の実施形態による液体検出装置について図１０及び図１１を参照して説明する。なお、上述した実施形態と共通する部分については説明を省略する。

図１０に示したように本実施形態による液体検出装置６０Ａにおいては、キャビティ４３の長手方向（第２対称軸Ｏ２の延在方向）における圧電層４７の寸法が、キャビティ４３の長手方向の長さよりも長く設定されている。そして、この圧電層４７は、キャビティ４３の長手方向においてキャビティ４３をその全長にわたって覆うように形成されている。なお、キャビティ４３の幅方向（第１対称軸Ｏ１の延在方向）においては、圧電層４７はキャビティ４３よりも小さな寸法にてキャビティ４３の内側に形成されている。

さらに、本実施形態においては、下部電極４６が略長方形に形成され、キャビティ４３の幅方向（第１対称軸Ｏ１の延在方向）においては下部電極４６が圧電層４７よりも大きな寸法を有し、キャビティ４３の長手方向（第２対称軸Ｏ２の延在方向）においては下部電極４６と圧電層４７とが共通寸法である。

本実施形態においても、上述した実施形態と同様に、不要振動の発生を防止することができると共に、気泡やインクの滞留を防止することができる。

さらに、本実施形態によれば、圧電層４７の長手方向の寸法がキャビティ４３の長手方向の寸法よりも大きく設定されているので、圧電層４７の形成位置がキャビティ４３の長手方向においてずれた場合でも、圧電層４７全体のうちの振動に寄与する部分の大きさは変化しない。このため、圧電層４７の形成位置のズレによる不要振動の発生を防止することができる。

また、上述した各実施形態の一変形例としては、液体検出装置６０，６０Ａにおいて出入口形成板５０を省略し、インクカートリッジ７０の容器本体７２に形成された第１開口７３及び第２開口７４を、液体検出装置６０，６０Ａのキャビティ４３へのインク供給口及びインク排出口として利用するように構成することもできる。

なお、上記の各実施の形態では、略十字状に形成された上部電極４９の長手方向の略中央部において、中央部の総幅長Ｗ_ＣＴを準中央部の総幅長Ｗ_ＥＴより短く形成したが、本発明に係る液体検出装置は、図１２（ａ）に示すように、上部電極４９の矩形状四隅のエッジ部８０を除去し、上部電極４９の略中央部を所謂繭型に形成してもよい。また、長手方向の中央部の総幅長Ｗ_ＣＴを準中央部の総幅長Ｗ_ＥＴより短くする形状としては、図１２（ｂ）に示すように、略中央部の両長辺部に凹部８１，８１を形成してもよい。さらに、長手方向の中央部の総幅長Ｗ_ＣＴを準中央部の総幅長Ｗ_ＥＴより短くする形状としては、図１２（ｃ）に示すように、上部電極４９の中央部に穴８３を穿設し、穴８３から略中央部のそれぞれの長辺部までの総幅長Ｗ_ＣＴ（Ｗ_Ｃ１＋Ｗ_Ｃ２）を、穴８３が設けられていない準中央部の総幅長Ｗ_ＥＴより短くするものであってもよい。

本発明の一実施形態による液体検出装置を備えた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。 本発明の一実施形態による液体検出装置を示した平面図。 図２に示した液体検出装置を示した底面図。 図２に示した液体検出装置のＡ−Ａ線に沿った断面図。 図２に示した液体検出装置のＢ−Ｂ線に沿った断面図。 図２に示した液体検出装置の電極及び圧電層の部分の分解図であり、（ａ）は電極端子のパターンを示し、（ｂ）は上部電極のパターンを示し、（ｃ）は圧電層のパターンを示し、（ｄ）は下部電極及び補助電極のパターンを示す。 図２に示した液体検出装置の基板の部分の分解図であり、（ａ）は振動板を示し、（ｂ）はキャビティ板を示し、（ｃ）は出入口形成板を示す。 図２に示した液体検出装置を備えたインクカートリッジを示した図であり、（ａ）は側面図、（ｂ）は正面図。 本発明の一実施形態による液体検出装置における駆動パルス波形及び逆起電力波形を示す図であり、（ａ）はキャビティ内にインクが存在する場合の波形図、（ｂ）はキャビティ内にインクが存在しない場合の波形図。 本発明の他の実施形態による液体検出装置を示した平面図。 図１０に示した液体検出装置の電極及び圧電層の部分の分解図であり、（ａ）は電極端子のパターンを示し、（ｂ）は上部電極のパターンを示し、（ｃ）は圧電層のパターンを示し、（ｄ）は下部電極及び補助電極のパターンを示す。 上部電極の変形例を示した平面図 従来の液体検出装置を示した図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ線に沿った断面図。 図１３に示した従来の液体検出装置を備えた従来のインクカートリッジの断面図。

符号の説明

４０…振動キャビティ形成基部
４１…キャビティ板
４２…振動板
４３…キャビテイ
４３ａ…キャビティの底面部
４６…下部電極（第１電極）
４７…圧電層
４９，４９Ａ，４９Ｂ，４９Ｃ…上部電極（第２電極）
５０…出入口形成板
５１…インク供給口（液体供給口）
５２…インク排出口（液体排出口）
６０，６０Ａ…液体検出装置
６１…液体検出装置の振動部
７０…インクカートリッジ（液体容器）
７１…インク送出口（液体送出口）
７２…容器本体
７３…第１開口
７４…第２開口
７５…主貯留室（第１室）
７６…副貯留室（第２室）
７７…補助流路
７７ａ…補助流路入口
Ｏ１…キャビティの第１対称軸
Ｏ２…キャビティの第２対称軸
Ｗ_ＣＴ…長手方向中央部の総幅長
Ｗ_ＥＴ…長手方向端部の総幅長

Claims (9)

1. 互いに対向する第１面及び第２面を有する振動キャビティ形成基部であって、
   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が振動可能に形成されている振動キャビティ形成基部と、
   前記振動キャビティ形成基部の前記第２面側に形成された第１電極、前記第１電極に積層された圧電層、及び前記圧電層に積層された第２電極を有する圧電素子と、を備え、
   前記キャビティの平面形状は、長手方向寸法及び前記長手方向寸法よりも短い幅方向寸法を有し、
   前記第１電極は、前記キャビティに対応する領域の略全体を覆うようにして形成され、
   前記第２電極は、前記キャビティの４つの隅部に対応する部分を切り欠くようにして略十字状に形成されているとともに長手方向中央部の総幅長が該中央部の長手方向近傍の準中央部の総幅長より短く形成されている液体検出装置。
2. 前記キャビティは、互いに直交する第１対称軸及び第２対称軸を有し、前記幅方向寸法は前記第１対称軸に沿った寸法であり、前記長手方向寸法は前記第２対称軸に沿った寸法である請求項１記載の液体検出装置。
3. 前記振動キャビティ形成基部の前記第１面側に積層された出入口形成板であって、
   前記キャビティに検出対象の液体を供給する液体供給口と、
   前記キャビティから検出対象の液体を排出する液体排出口とが形成された出入口形成板をさらに有する請求項１又は２に記載の液体検出装置。
4. 前記液体供給口及び前記液体排出口が前記キャビティの長手方向の両端部に対応する位置に配置されている請求項３記載の液体検出装置。
5. 前記液体供給口及び前記液体排出口が前記キャビティに対応する領域の内側に形成されている請求項３又は４に記載の液体検出装置。
6. 前記振動キャビティ形成基部は、前記キャビティを形成する貫通孔が形成されたキャビティ板と、前記キャビティ板に積層された振動板と、を有する請求項１乃至５のいずれか一項に記載の液体検出装置。
7. 前記圧電層は、その全体が前記キャビティに対応する領域の内側に形成されている請求項１乃至６のいずれか一項に記載の液体検出装置。
8. 前記キャビティの長手方向における前記圧電層の寸法は前記キャビティの前記長手方向寸法よりも大きく、前記圧電層は、前記キャビティの長手方向において前記キャビティをその全長にわたって覆うように形成されている請求項１乃至６のいずれか一項に記載の液体検出装置。
9. 内部に貯留した液体を外部に送出する液体送出口を有する容器本体と、前記容器本体に装着された液体検出装置と、を備えた液体容器であって、
   前記液体検出装置は、
   互いに対向する第１面及び第２面を有する振動キャビティ形成基部であって、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が振動可能に形成されている振動キャビティ形成基部と、
   前記振動キャビティ形成基部の前記第２面側に形成された第１電極、前記第１電極に積層された圧電層、及び前記圧電層に積層された第２電極を有する圧電素子と、を備え、
   前記キャビティの平面形状は、長手方向寸法及び前記長手方向寸法よりも短い幅方向寸法を有し、
   前記第１電極は、前記キャビティに対応する領域の略全体を覆うようにして形成され、
   前記第２電極は、前記キャビティの４つの隅部に対応する部分を切り欠くようにして略十字状に形成されているとともに長手方向中央部の総幅長が該中央部の長手方向近傍の準中央部の総幅長より短く形成されている液体容器。

Images