JP2015202601A - 液滴吐出状態検出装置及びこの液滴吐出状態検出装置を備えた画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発光素子、レンズへのミストの付着の防止、かつ、液滴の吐出状態の検出精度の向上を図ることができる液滴吐出状態検出装置を提供する。【解決手段】本発明の液滴吐出状態検出装置は、記録媒体Ｗの搬送方向Ｙと直交する幅方向に整列配置されて記録媒体Ｗに向けて液滴を吐出する複数個のノズルと、記録媒体の搬送方向と直交する幅方向一方の側に設けられた発光部２０と、記録媒体の幅方向他方の側に設けられた受光部２１とを備え、発光部２０は、発光素子２０ａと、光ビームＰを射出させる集光レンズ２０ｂと、光ビームＰを通過させるアパーチャ開口２０ｄが形成された絞り部材２０ｃとを有する。アパーチャ開口２０ｄは菱形又は矩形からなり、受光面２１ａは、菱形又は矩形のアパーチャ開口を通じて輪郭が規定された菱形又は矩形の光ビームＰの対角線の延長線上であって記録媒体Ｗの搬送方向にずらして配置されている。【選択図】 図２

Description

本発明は、記録ヘッドのノズルから吐出された液滴の吐出状態を検出する液滴吐出状態検出装置及びこの液滴吐出状態検出装置を備えた画像形成装置に関する。

従来から、記録ヘッドを記録媒体としての記録用紙の搬送方向である副走査方向と直交する主走査方向に移動させつつ記録ヘッドのノズルから液滴を記録用紙に向けて吐出させるシリアル型式の画像形成装置、複数個の記録ヘッドを主走査方向に配列固定して、記録用紙を副走査方向に搬送しつつ記録ヘッドのノズルから液滴を記録用紙に向けて吐出させるライン型式の画像形成装置が知られている。

この種の画像形成装置では、ノズル孔からの溶媒の蒸発に起因するインクの粘度の上昇、インクの固化、ノズル孔への塵埃の付着、インクへの気泡の混入等により、ノズルの吐出不良が発生することがある。このような吐出不良が発生すると、画像品質が低下する。

そこで、この種の画像形成装置には、液滴の有無を検出する液滴吐出状態検出装置が設けられている（特許文献１参照）。その液滴吐出状態検出装置は、記録用紙の搬送方向と直交する幅方向一方の側に設けられた発光部と、幅方向他方の側に設けられた受光部とを備えている。

その発光部は、発光素子と、コリメータレンズと、絞り部材（アパーチャ部材）とを備えている。その絞り部材には正方形状のアパーチャ開口が形成されている。

その発光素子からの光はコリメータレンズにより集光され、光ビームとしてその絞り部材のアパーチャ開口を通過して受光部に向けて照射される。その受光部の受光面は、発光部の光軸（発光素子の光軸）に対して用紙の搬送方向にずらした位置に配置されている。

このものによれば、ノズルから吐出された液滴の存在による光ビームの進行方向前方に散乱する光ビームの散乱光を受光部により受光して、この受光部の受光出力により液滴の有無が検出される。また、このものによれば、液滴吐出時に発生するミストが発光素子、コリメータレンズに付着するのを低減できる。

ところで、その特許文献１に記載の液滴吐出状態検出装置では、その光ビームがアパーチャ開口を通過する際に、アパーチャ開口の互いに平行な二辺の各中点を結ぶ線分の方向に光ビームによる回折光が生じる。

このため、その二辺の各中点を結ぶ線分の方向にずらして受光部の受光面を配置すると、その回折光が受光面にオフセット光として入射する光量が増大し、相対的に液滴による散乱光量に対するノイズ（Ｎоｉｓｅ）が増大し、Ｓ/Ｎ比の増加により液滴の吐出状態の検出精度が低下する。

本発明は、上記の事情に鑑みて為されたもので、発光素子、レンズへのミストの付着の防止を図ると共に、液滴の吐出状態の検出精度の向上を図ることができる液滴吐出状態検出装置を提供することを目的とする。

本発明に係る液滴吐出状態検出装置は、記録媒体の搬送方向と直交する幅方向に整列配置されて前記記録媒体に向けて液滴を吐出する複数個のノズルと、前記記録媒体の搬送方向と直交する幅方向一方の側に設けられた発光部と、前記記録媒体の幅方向他方の側に設けられた受光部とを備え、
前記発光部は、発光素子と、該発光素子からの光を集光して光ビームとして射出させる集光レンズと、前記光ビームを通過させるアパーチャ開口が形成された絞り部材とを有し、
前記アパーチャ開口は菱形又は矩形からなり、前記受光素子の受光面は、前記菱形又は矩形のアパーチャ開口を通じて輪郭が規定された菱形又は矩形の光ビームの対角線の延長線上であって前記記録媒体の搬送方向にずらして配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、発光素子、レンズへのミストの付着を防止できると共に、液滴の吐出状態の検出精度の向上を図ることができる

図１は本発明の実施例に係る液滴吐出状態検出装置を備えた画像形成装置の概略構成を示す図である。 図２は図１に示す第１番目の液滴吐出状態検出装置を記録媒体の搬送方向から目視した図である。 図３は図２に示す液滴吐出状態検出装置のノズルの配列状態を模式的に示す平面図である。 図４は図２に示す液滴吐出状態検出装置を上面方向から目視した図である。 図５は図２に示す絞り部材の平面図である。 図６は図２に示す絞り部材による光ビームの回折パターンと受光素子の受光面との関係を発光素子の光軸方向から目視した説明図である。 図７は、図２に示す絞り部材のアパーチャ開口が円形であると仮定した場合に生じる同心円状の回折パターンとその強度分布と受光素子の受光面に対する回折パターンとの関係を模式的に示す説明図である。 図８は、図５に示す矩形のアパーチャ開口を有する絞り部材の各辺の中点を結ぶ線分の方向が搬送方向と平行になるように配設したと仮定した場合に生じる回折パターンとその強度分布と受光素子の受光面に対する回折パターンとの関係を模式的に示す説明図であって、回折光の一部が受光素子の受光面に当たっている状態を示す図である。 図９は、図７に示す円形のアパーチャ開口を有する絞り部材を用いた時又は矩形状のアパーチャ開口を有する絞り部材を図８に示す配置関係としたとき、発光素子の光軸に対する受光素子の受光面の傾き具合による受光出力電圧の変化度合を示す特性図である。 図１０は、図２、図５に示す絞り部材による光ビームの回折パターンとその強度分布と受光素子の受光面に対する回折パターンとの関係を模式的に示す説明図であって、回折光が搬送方向に平行な対角線に対して斜め方向に発生している状態を示す説明図である。 図１１は、矩形状のアパーチャ開口を有する絞り部材を図１０に示す配置関係としたとき、発光素子の光軸に対する受光素子の受光面の傾き具合による受光出力電圧の変化度合を示す特性図である。 図１２は、矩形状のアパーチャ開口を有する絞り部材を図８に示す配置関係としたとき、インクジェットヘッドのノズル面から反射されるオフセット光としての回折光と記録媒体から反射されるオフセット光としての回折光との説明図である。 図１３は、矩形状のアパーチャ開口を有する絞り部材を図１０に示す配置関係としたとき、インクジェットヘッドのノズル面から反射されるオフセット光としての回折光と記録媒体から反射されるオフセット光としての回折光との説明図である。 図１４は、液滴からの散乱光による受光素子の受光出力特性を示す説明図であって、発光素子の光軸に対する受光素子の受光面の傾き具合による受光出力電圧の変化度合を示す特性図である。 図１５は、光ビームが記録媒体とインクジェットヘッドとの間を通過可能な条件を説明するための図である。 図１６は、アパーチャ開口の形状が菱形である場合の絞り部材の平面図である。 図１７は、光ビームを収束光束とした場合に、図１に示す第１番目の液滴吐出状態検出装置を記録媒体の搬送方向から目視した図である。 図１８は、光ビームを収束光束とした場合に、図２に示す液滴吐出状態検出装置を上面方向から目視した図である。

（画像形成装置（インクジェット方式の印刷装置）の概略構成）
図１は本発明の実施例に係る画像形成装置の概略構成を示す説明図である。
その図１において、１は記録ヘッドアレイ、Ｗは記録用紙（記録媒体）である。その記録用紙Ｗの搬送方向Ｙには、給紙ローラ２、その給紙ローラ２により従動回転する従動ローラ３、テンションローラ４、記録用紙Ｗの送り量を検出するエンコーダ５を有する従動ローラ６、排紙ローラ７、排紙ローラ７により従動回転する従動ローラ８、テンションローラ９が記録用紙Ｗの搬送方向Ｙの適宜箇所に設けられている。排紙ローラ７は、駆動モータ（図示を略す）により回転駆動される。

従動ローラ６と排紙ローラ７との間には、走行プレート１０が設けられている。記録用紙Ｗはその走行プレート１０に案内されつつ搬送される。記録ヘッドアレイ１は記録用紙Ｗを間に介してその走行プレート１０に対向して配設されている。

その記録ヘッドアレイ１には、複数個のインクジェットヘッド（記録ヘッド）１a１、１a２、…、１aｎが記録用紙Ｗの搬送方向Ｙに配列されている。そのインクジェットヘッド１a１、１a２、…、１aｎには、後述する複数個のノズルが記録用紙Ｗの搬送方向Ｙと直交する幅方向に整列配置されている。

その記録用紙Ｗは、排紙ローラ７と従動ローラ８とにより搬送方向下流側に移送され、走行プレート１０を横切る際に液滴を受け、印字されつつ排紙される。なお、この実施例では、エンコーダ５を従動ローラ６に設ける構成として説明しているが、エンコーダ５を従動ローラ８に設ける構成としても良い。

ここでは、記録用紙Ｗとは、材質が紙に限定されるものではなく、糸、繊維、布、布帛、皮革、金属、プラスチックス、ガラス、セラミックス等の媒体、ＯＨＰシート等を含み、液滴としてのインクが着弾されるものの総称として用いる。

また、「印字」、「画像形成」、「印刷」とは、記録用紙Ｗに文字、図形等を形成する意味のみならず、意味のないパターン等の画像を記録用紙Ｗに形成すること、液滴を記録用紙Ｗに着弾させること、記録用紙Ｗに液滴を着弾させて三次元の立体物を造形することを意味する。更に、「インク」という用語は、記録液体、定着処理液、樹脂等の総称として用いている。

（液滴吐出状態検出装置の概略構成）
記録ヘッドアレイ１と走行プレート１０との間には液滴吐出状態検出装置１１が設けられている。その液滴吐出状態検出装置１１は、インクジェットヘッド１a１、１a２、…、１aｎにそれぞれ対応して設けられている。そのインクジェットヘッド１a１、１a２、…、１aｎにそれぞれ対応する液滴吐出状態検出装置１１にそれぞれ符号１１a１、１１a２、…、１１aｎを付する。

図２には、そのインクジェットヘッド１a１に対応して設けられた液滴吐出状態検出装置１１a１が代表的に示されている。インクジェットヘッド１a１には、図２に示すように、記録用紙Ｗの搬送方向Ｙと直交する記録用紙Ｗの幅方向にｎ個のノズルｎ１、ｎ２、…、ｎｘ、ｎｎが整列配置されている。

そのインクジェットヘッド１a１には、そのノズルｎ１、ｎ２、…、ｎｘ、…、ｎｎを一列として、記録用紙Ｗの搬送方向ＹにＭ個のノズル列が設けられている（ただし、ｎは１からＭまでの整数）。その図３には、各ノズルに１１、１２、…、１ｘ、…、１ｎ、２１、２２、…、２ｘ、…２ｎ、Ｍ１、Ｍ２、…、Ｍｘ、…、Ｍｎの符号が付されている。

液滴吐出状態検出装置１１ａ１は、記録用紙Ｗの搬送方向Ｙと直交する幅方向一方の側に設けられた発光部２０と、幅方向他方の側に設けられた受光部２１とを備えている。
発光部２０は、発光素子２０aと、集光レンズ２０ｂと、絞り部材２０ｃとを有する。
その発光素子２０aは、ここでは、半導体レーザから構成されるものとして説明するが、これに限られるものではない。例えば、LED（Light Emitting Diode）により構成されていても良い。その半導体レーザは、レーザ駆動部２２により駆動される。

その発光部２０は、図４に示すように、発光ユニット２０Ａにより構成され、この発光ユニット２０Ａは記録用紙Ｗの搬送方向Ｙに移動機構２０Ｂにより往復動される。集光レンズ２０ｂは発光素子２０aからの光を集光して光ビームPとして射出させる。

ここでは、集光レンズ２０ｂはコリメートレンズであり、光ビームPは平行光束として説明するが、後述するような収束光であっても良い。なお、その図２、図４には、１ｘ番のノズルから液滴ＬＤが吐出されているものとして示してある。

絞り部材２０ｃには、図５に示すように、光ビームPを通過させる菱形形状のアパーチャ開口２０ｄが形成されている。ここでは、アパーチャ開口２０ｄを菱形として説明するが、正方形又は長方形（矩形）であっても良い。

そのアパーチャ開口２０ｄの菱形の対向する各頂点ｒ１、ｒ２、ｒ３、ｒ４を結ぶ対角線の一方を２０e、この対角線２０eに直交する対角線を２０ｆとする。また、アパーチャ開口２０ｄの各辺を２０ｄ１〜２０ｄ４とし、各辺２０ｄ１〜２０ｄ４の長さをａ、対角線２０ｅの長さをｃ、対角線２０ｆの長さをｄとする（図１６参照）。
対角線２０eは記録用紙Ｗの搬送方向Ｙと平行方向とされ、対角線２０ｆは記録用紙Ｗ及びインクジェットヘッド１ａ１のヘッドノズル面１ａ１Ｓ（図２参照）に対して垂直方向とされている。

各ノズルｎ１、ｎ２、…、ｎｘ、…、ｎｎから画像データに応じて適宜液滴ＬＤが吐出され、光ビームPはその通過中に液滴ＬＤにより散乱されて、散乱光P’となる。
受光部２１はフォトダイオード等の受光素子から構成され、図２、図４において、符号２１aはその受光面を示す。

光ビームPはそのアパーチャ開口２０ｄによって輪郭形状が規定され、そのビーム幅は対角線２０e、２０ｆによって規定される。その対角線２０ｆによって規定されるビーム幅を縦方向ビーム幅Dpd、その対角線２０ｅによって規定されるビーム幅を横方向ビーム幅Cｐｄとする。

光ビームPの光軸Оと受光素子の受光面２１aとは、図２に示すように、記録用紙Ｗの搬送方向Ｙに対して垂直な断面で見た場合、光ビームＰに対して垂直、言い換えると、光ビームＰの光軸Ｏの傾きはノズルの整列配置方向ＬＮ（図４参照）に対して傾き角度「０」度とされている。

また、記録用紙Ｗの搬送方向Ｙに対して平行な平面で見た場合、光ビームPの光軸Оは、図４に示すように、記録用紙Ｗの幅方向に平行なノズル１１、１２、…、１ｘ、…、１ｎの整列配置方向ＬＮに対して傾き角度θ３とされている。

その受光面２１aの光軸Оに近い側の端部が光軸Оと為す角度をθ１、光軸Оに対して垂直な直線（搬送方向Ｙと平行方向の直線）OLに対して受光面２１aの為す角度をθ２として、受光面２１aは０≦θ２≦θ１の角度の範囲に存在するように光軸Оに対して傾けられている。

図６に示すように、集光レンズ２０ｂにより平行光束とされた光ビームPは、絞り部材２０ｃのアパーチャ開口２０ｄを通過する際にその一部が回折され、アパーチャ開口２０ｄの各辺２０ｄ１〜２０ｄ４の各中点を結ぶ線分２０ｅ’、２０ｆ’の方向に、1次回折光、２次回折光、３次回折光、…が順次形成される。回折を受けずにアパーチャ開口２０ｄを通過した光ビーム（０次の回折光）Pをここでは主光という。

その受光面２１aは、その図６に示すように、対角線２０ｅの延長線方向（記録用紙Ｗの搬送方向Ｙ）に光軸Ｏからずらして配置されて、光ビームPの主光が受光面２１aに入射しない位置に配置される。ここでは、光ビームPの横方向ビーム幅Cｐｄよりも大きく搬送方向Ｙにずらして配置されている。なお、その光ビームＰの回折パターンはアパーチャ開口Ｏ’の中心から光軸方向に距離ｚ（図４参照）だけ離間した受光面２１ａを含む仮想スクリーン（図示を略す）に形成される回折パターンを示している。

受光素子は、光ビームＰの散乱光Ｐ’を受光し、この散乱光Ｐ’を光電変換し、受光素子による受光出力電圧Ｖが図示を略す計測回路に入力される。
計測回路はその受光出力電圧Ｖを用いて受光データを作成し、これにより、各ノズルからの液滴の吐出状態を検出する。

なお、縦方向ビーム幅Ｄｐｄ、横方向ビーム幅Ｃｐｄの比は、光ビームＰの波長、強度分布、各ノズル列の間隔、液滴ＬＤから発光素子２０aまでの距離、液滴ＬＤから受光面２１aまでの距離、受光素子の受光面２１aのサイズ、受光素子の配置位置、インクジェットヘッド１ａ１と記録用紙Ｗとの距離等の条件を勘案して適宜決めるものとする。

（アパーチャ開口２０ｄの各辺２０ｄ１〜２０ｄ４を縦方向と横方向に配設した場合に較べてアパーチャ開口の対角線２０e、２０ｆを縦方向と横方向とに配設した場合の方がノイズに対して有利な理由）
図７は、説明の便宜のため、アパーチャ開口２０ｄを円形とした場合の光ビームＰの回折光のパターンと強度分布を示している。図７（a）はその回折パターンを示し、図７（ｂ）はその図７（a）に示す回折パターンの強度分布を示す。

アパーチャ開口２０ｄが円形の場合、下記（数１）に示すフラウンホーファー回折式に従って、回折光のパターンは同心円状となる。同心円状の中央の光束は主光であり、径の小さい方から大きくなるに伴って光量が減衰し、順次1次、2次、…の回折光が生じる。
（数１）
ｕ（ρ₂、φ₂、ｚ）＝Ｒ₀・２Ｊ₁（ｋａρ₂/ｚ）/（ｋａρ₂/ｚ）
Ｒ₀＝ｊ・ｅｘｐ（―ｊｋｚ）/λｚ・（―ｊ（ｋ/２ａ）・（ρ₂ ²））ｕ₀・π・ａ²
なお、Ｊ１は第１種第１次のベッセル関数、ｍ次のベッセル関数は、
Ｊｍ（Ｕ）＝ｊ^-m/２π∫²π₀ｅ^j(mV+Ucо^sV)ｄＶ
ｚは既述したようにアパーチャ開口２０ｄの開口中心Ｏ’から受光面２１ａまでの光軸間距離、ｋはｋ方向の単位ベクトル、ｊはｊ方向の単位ベクトル、λは光ビームの波長、
ｘ₂＝ρ₂・ｃоｓφ₂、ｙ₂＝ρ₂・ｓｉｎφ₂である。記号ｘ₂、ｙ₂は光軸方向に直交する平面内での位置座標を示す。
また、記号ρはエリアディスクの半径で、ρ＝０.６１０λ/ＮＡ
ＮＡは開口数で、ＮＡ＝ａ/Ｚ＝ｓｉｎθ

受光面２１aをその主光の光軸（中心）Ｏから半径方向に主光の直径φ１だけずらして配設したとしても、一次以上の回折光が受光素子の受光面２１aにオフセット光Оｆとして入射する可能性がある。ここでは、便宜的に、二次以上の回折光が受光面２１ａに入射している状態が示されている。

図８はアパーチャ開口２０ｄが矩形であるとした場合の光ビームＰの回折パターンとその強度分布を示し、図８（a）はその回折パターンを示し、図８（ｂ）はその図８（a）に示す回折パターンの強度分布を示す。なお、ここでは、説明の便宜のため、アパーチャ開口２０ｄは正方形とする。

アパーチャ開口２０ｄが正方形（一般的に矩形又は菱形）の場合、数（２）に示すフラウンホーファー回折式に従って、回折パターンは各辺２０ｄ１〜２０ｄ４の中点を結ぶ線分２０ｅ’、２０ｆ’の方向に生じる。すなわち、同心円状に生じた回折光の一部が各辺によって切り取られた回折パターン形状となる。
その図８（ａ）において、中央の光束は主光であり、主光束から離れるに伴って減衰し、順次1次、2次、…の回折光が生じる。
（数２）
Ｕ（ｘ、ｙ、ｚ）＝Ｒ₀・ａ・ａ・ｓｉｎｃ（ａｘ/λｚ）・ｓｉｎｃ（ａｙ/λｚ）
Ｒ₀＝ｊ・ｅｘｐ（―ｊｋｚ）・ｅｘｐ（−ｊ（ｋ/２ｚ）・（ｘ²＋ｙ²））×ｕ
ｓｉｎｃ（Ｘ）＝ｓｉｎ（πＸ）/（πＸ）
ｘ＝（ｎ＋１）・λ・ｚ/ａ、ｙ＝（ｎ＋１）・λ・ｚ/λ
記号Ｘは記号ｘとは別の変数であり、ａは正方形の開口の一辺の長さを意味する。
記号ｘ、ｙは光軸方向に直交する平面内での位置座標を示す。

すなわち、アパーチャ開口２０ｄの互いに平行な二辺２０ｄ１〜２０ｄ４の中点を結ぶ線分２０ｅ’、２０ｆ’の方向に光ビームＰによる回折光が生じる。受光面２１aをその主光の光軸（中心）Ｏから二辺を結ぶ線分２０ｅ’、２０ｆ’の方向に主光の横方向ビーム幅Ｃｐｄだけずらして配設したとしても、一次以上の回折光が受光素子の受光面２１aにオフセット光Оｆとして入射する。

なお、その図７（ｂ）、図８（ｂ）に示す回折光の強度分布は模式的に示すものであって、発光素子、集光レンズ、絞り部材の各光学特性、集光レンズから液滴までの距離によって変化する。また、図７（ｂ）、図８（ｂ）において、Ｑ１は主光の強度を示す。

（受光面２１aへのオフセット光Оｆの入射により不都合が発生する理由）
図４に示す角度θ１が大きくなると、受光素子の受光面２１aに入射するオフセット光Ｏｆの光量と散乱光Ｐ’の光量との和の光量は減少するため、受光素子の受光出力電圧Ｖは図９に示すように角度θ１によって変化する。

これに対して、角度θ１が所定角度（飽和限界角度）θｍiｎ以下では、回折光に起因するオフセット光Ｏｆ以外にも記録用紙Ｗにより反射された光ビームＰの反射光、インクジェットヘッド１ａ１のノズル面１ａ１Ｓ等により反射された光ビームＰの反射光等のオフセット光Ｏｆが受光面２１aに入射する。

このため、受光素子の受光出力電圧Ｖが図９に示すように飽和する。ノズルが液滴を吐出しない状態においても受光素子の受光出力電圧Ｖが飽和すると、液滴ＬＤの吐出による散乱光Ｐ’の光量変化を検出できない。

このため、角度θ１が所定角度θｍiｎ以下では、液滴ＬＤの吐出の有無を検出できないことになる。従って、角度θ１はθ１≧θｍiｎの数式を満たす必要がある。その図９には、角度θ１＝θ１ａのときの受光出力電圧ＶがＶ１ａと示され、角度θ１≦θｍｉｎのときの受光出力電圧Ｖが飽和出力電圧Ｖｍａｘとして示されている。

なお、その図９に示す角度θ１に対する受光出力電圧Ｖの角度依存特性は、アパーチャ開口２０ｄの形状、サイズ、絞り部材２０ｃとインクジェットヘッド１ａ１との位置関係、液滴の形状、液滴のサイズにより変化し、この図９は一例として模式的に示したに過ぎないものである。

次に、アパーチャ開口２０ｄの対角線２０e、２０ｆを縦方向と横方向とに配設した場合の方がノイズに対して有利な理由を図１０を参照しつつ説明する。
図１０（a）は回折パターンを示し、図１０（ｂ）は対角線２０ｅの方向の光ビームＰの強度分布を示している。

図１０（a）に示すように、アパーチャ開口２０ｄの対角線２０ｅの延長方向に受光面２１ａを離間させて配置すると、主光が受光面２１aに入射するのがほとんど防止される。１次回折光、２次回折光、…は斜め方向に生じているので、図８（ａ）に示すようにアパーチャ開口１０ｄを配置した場合に較べて、オフセット光Ｏｆとしての回折光が受光面２１aに入射するのがほとんど防止される。従って、図１１に示すように、所定角度θｍｉｎを小さくでき、受光素子を光ビームＰに近づけて実装することができる。

また、回折光がインクジェットヘッド１ａ１と記録用紙Ｗとを垂直に結ぶ線分の方向に対して斜め方向に発生する。このため、その回折光によるインクジェットヘッド１ａ１のノズル面１ａ１Ｓからのオフセット光Ｏｆとしての反射光の光量、記録用紙Ｗからのオフセット光Ｏｆとしての反射光の光量も減少する。

すなわち、図１２に示すように、アパーチャ開口２０ｄの各辺２０ｄ１、２０ｄ４をインクジェットヘッド１ａ１のノズル面１ａ１Ｓに平行に配設した場合、インクジェットヘッド１ａ１のヘッドノズル面１ａ１Ｓに対して垂直な方向に回折光が発生するので、光軸Ｏからヘッドノズル面１ａ１Ｓに到達する回折光の到達距離Ｌ’が短くなり、従って、ヘッドノズル面１ａ１Ｓにより反射される回折光は、減衰の少ない低次の回折光である。

このため、この回折光による反射光量は、アパーチャ開口２０ｄの対角線２０ｅをインクジェットヘッド１ａ１のノズル面１ａ１Ｓに平行に配設した場合にそのインクジェットヘッド１ａ１のノズル面１ａ１Ｓにより反射される回折光の反射光量に較べて、相対的に大きい。記録用紙Ｗからの反射光量についても同様である。

これに対して、図１３に示すように、アパーチャ開口２０ｄの対角線２０ｅをインクジェットヘッド１ａ１のノズル面１ａ１Ｓに平行に配設した場合、光軸Ｏからヘッドノズル面１ａ１Ｓまでに回折光の到達距離Ｌ”は√２Ｌ’になる。このため、より減衰量の大きい高次の回折光が、ノズル面１ａ１Ｓにより反射されることになる。

従って、図１２に示すように配置した場合に較べて、ヘッドノズル面１ａ１Ｓにより反射される回折光の反射光量は小さい。このため、散乱光Ｐ’の光量とオフセット光Ｏｆの光量の総和が飽和する飽和限界角度θｍｉｎが小さくなる。

その図１４は、角度θ１と散乱光量Ｐ’による受光出力電圧Ｖとの関係を模式的に示したグラフであり、散乱光Ｐ’の光量は波形を有しつつ減衰する角度依存特性を有している。
すなわち、液滴の粒子径（例えば、数μｍないし数１０μｍ）≧光の波長（例えば、レーザ光の波長λは１００ｎｍ）であり、いわゆるミー散乱により、散乱光Ｐ’の光量は光の進行方向（散乱角度）０度で最も散乱光量が大きく、散乱角度が増加するに伴って波状に減衰するという角度依存特性を有している。

その図１４において、受光出力電圧Ｖ＝ＶＳｍｉｎは閾値であり、この閾値以下の受光出力電圧Ｖでは、散乱光量Ｐ’の検出は不可能である。角度θ１Ｂに対応するＶＳ１Ｂは、アパーチャ開口２０ｄの各辺２０ｄ１、２０ｄ４をインクジェットヘッド１ａ１のノズル面１ａ１Ｓに平行に配設した場合の受光出力電圧を示し、角度θ１Ａに対応するＶＳ１Ａは、アパーチャ開口２０ｄの対角線２０ｅをインクジェットヘッド１ａ１のノズル面１ａ１Ｓに平行に配設した場合の受光出力電圧を示し、角度θ１Ａに対応するＶＳ１Ｃは受光面２１ａの面積を大きくした場合の受光出力電圧を示している。

図１５は、絞り部材２０ｃのアパーチャ開口２０ｄの決定の一例を示す説明図である。
発光素子２０ａの光軸Ｏがヘッドノズル面１ａ１Ｓに対して傾いているものとし、受光位置（アパーチャ開口２０ｄの中心Ｏ’から光軸方向に距離ｚだけ離れた位置）において、受光面２１ａの中心は光軸Ｏの傾きがないとした場合の位置からＬＳ（ずれ量という）だけずれていると仮定する。また、ヘッドノズル面１ａ１Ｓと記録用紙Ｗとの間隔をＬとする。

光ビームＰの主光、回折光に起因する反射光の光量、記録用紙Ｗからの主光、回折光に起因する反射光が受光素子の受光面２１ａに極力入射させないようにしつつコンパクトに装置を設計するためには、絞り部材２０ｃのアパーチャ開口２０ｄの大きさを以下の大きさとするのが望ましい。

インクジェットヘッドと記録用紙Ｗとの間隔は図１３に示すようにＬである。縦方向ビーム幅はＤｐｄ、横方向ビーム幅はＣｐｄある。間隔Ｌは液滴ＬＤとインクジェットヘッド１ａ１とから決められる。

光ビームＰの主光、回折光によるインクジェットヘッド１ａ１からの反射光、記録用紙Ｗからの反射光によるオフセット光Ｏｆの光量を減少させるためには、光ビームＰの主光や回折光がノズル面１ａ１Ｓ、記録用紙Ｗに当たらないようにして、ノズル面１ａ１Ｓと記録用紙Ｗとの間を一方側から他方の側に向かって通過させる必要がある。
発光素子の傾き０の光軸Ｏからの受光素子のずれ量ＬＳを考慮すると、
Ｄｐｄ≦Ｌ−ＬＳ …（１）

既述したように、絞り部材２０のアパーチャ開口２０ｄを規定する各辺の長さはａ、光ビームＰの横方向ビーム幅Ｃｐｄに対応する対角線長はｃ、光ビームの縦方向ビーム幅Ｄｐｄに対応する対角線長はｄである（図１６参照）。

受光面が存在する仮想スクリーンにおいて光ビームＰの主光の形状が絞り部材のアパーチャ開口２０ｄの輪郭形状と同一であるとすると、
ピタゴラスの定理により、
（Ｄｐｄ/２）²＋（Ｃｐｄ/２）²＝（２ｘ）²
Ｄｐｄ＝（１６ｘ²―Ｃｐｄ²）―²… （２）
菱形の辺２０ｄ１と辺２０ｄ２とが為す角度をθ１０として、サイン方程式により
Ｃｐｄ/２＝２・ｘ・ｓｉｎ（θ１０/２）であるから、
Ｃｐｄ＝４・ｘ・ｓｉｎ（θ１０/２）…（３）
この（３）式を（２）式に代入すると、
Ｄｐｄ＝（１６ｘ²―（４・ｘ・ｓｉｎ（θ１０/２））²）―²
＝（１６ｘ²―１６ｘ²（（１−ｃоｓ（２・θ１０/２））/２）―²
＝４ｘ（（１−ｃоｓ（θ１０））/２）―²…（４）
矩形開口のフラウンホーファーの回折式により、
ｘ＝（ｎ＋１）・λ・ｚ/ａであるので、
主光の場合、
ｘ＝λ・ｚ/ａ… （５）
（５）式を（４）式に代入すると、
Ｄｐｄ＝４・λ・ｚ/ａ（１−ｃоｓ（θ１０））/２）―²…（６）
（６）式を（１）式に代入すると、
４・λ・ｚ/ａ（１−ｃоｓ（θ１０））/２）―²≦（Ｌ−ＬＳ）
従って、
ａ≧４・λ・ｚ（１−ｃоｓ（θ１０））/２）―²/（Ｌ−ＬＳ）
ｎ次の回折光まで間隔Ｌ内を通過させるには、
ａ≧４・ｎ・λ・ｚ（１−ｃоｓ（θ１０））/２）―²/Ｌ−ＬＳ…（７）

すなわち、辺の長さａが（７）式を充足するアパーチャ開口２０ｄを有する矩形又は菱形の絞り部材２０ｃを用いれば、ｎ次の回折光がインクジェットヘッド1ａ１のヘッドノズル面１ａ１Ｓと記録媒体Ｗとに当たらないようにすることができ、その分オフセット光の光量低減を図ることができる。

（実施例２）
実施例１では、発光部２０を構成する集光レンズ２０ｂをコリメートレンズにより構成して、光ビームＰを平行光束に変換した。この実施例２では、図１７、図１８に示すように、集光レンズ２０ｂを凸レンズから構成し、光ビームＰが発光素子から受光素子に向かうに伴って収束される収束光束とされている。

光ビームＰが平行光束である場合、発光素子から受光素子に向かうに伴って、絞り部材２０ｃによる回折の影響を受けてその光ビームＰの強度分布が広がるため、光ビームＰの強度が発光素子から受光素子に向かうに伴って減衰し、発光素子に近い側のノズルから吐出された液滴による散乱光量の大きさに較べて、受光素子に近い側のノズルから吐出された液滴による散乱光量の大きさが小さい。

このため、発光素子に近い側のノズルから吐出された液滴の検出精度に較べて、受光素子に近い側のノズルから吐出された液滴の検出精度が劣化するが、光ビームＰを収束光束とすると、単位面積当たりの光量が、受光素子に近い側のノズルに近づくに伴って大きくなるので、受光素子に近い側のノズルから吐出された液滴の検出精度の劣化を防止できる。

逆にいえば、受光素子に近い側のノズルから吐出された液滴の検出精度が適正である場合には、発光素子の発光量を低減でき、人間の目に対する安全性の向上、省電力化を図ることができる。

すなわち、集光レンズ２０ｂが光ビームＰのビーム径を変更可能なレンズにより構成すれば、収束率の最適化を図ることができ、発光素子に近い側のノズルから吐出された液滴からの散乱光量の受光量と受光素子に近い側のノズルから吐出された液滴からの散乱光量の受光量とを同程度とすることができ、発光光量の低減化を図りつつ検出精度（ＳＮ比）を同程度とすることができる。

以上の実施例は、本発明に係る液滴吐出状態検出装置及びこの液滴吐出状態検出装置を備えた画像形成装置の好ましい実施形態であるが、本発明は、この実施例に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で各種の形態が含まれるものである。

本発明の実施例に係る液滴吐出状態検出装置の制御は、ハードウエア、ソフトウエア、これらの複合構成によって行うことが可能である。
例えば、ソフトウエアを用いて制御を行う場合には、処理シーケンスプログラムが記録された記録媒体から専用のハードウエアに組み込まれているコンピュータのメモリにプログラムをインストールして行わせることが可能である。また、各種の処理を行うことが可能な汎用のコンピュータに処理シーケンスプログラムをインストールして実行させることも可能である。

記録媒体には、例えば、ハードディスク、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍоｒｙ）が用いられる。また、例えば、処理シーケンスプログラムをリム―バル記録媒体に、一時的、あるいは、永続的に格納しておくことも可能である。このようなリム―バル記録媒体は、いわゆるパッケージソフトウエアとして提供することができる。

なお、リム―バル記録媒体には、フロッピー（登録商標）ディスク、ＣＤ＝ＲＯＭ
（Ｃоｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍоｌｙ）、ＭＯ（Ｍａｇｎｅｔ Ｏｐｔｉｃａｌ）ディスク、ＤＶＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ）、磁気ディスク、半導体メモリを含む。

また、処理シーケンスプログラムをダウンロードサイトからコンピュータに無線転送してインストールすること、ネットワークを介してコンピュータに処理シーケンスプログラムを有線転送してインストールすることも可能である。

更に、画像形成装置、液滴吐出状態検出装置の処理能力に応じて、時系列的に液滴検知処理を実行する構成のみならず、各インクジェットヘッドによる液滴検知処理を並列的又は個別に実行するように構築することもできる。

２０…発光部
２１…受光部（受光素子）
２０ａ…発光素子
２０ｂ…集光レンズ
２０ｃ…絞り部材
２０ｄ…アパーチャ開口
Ｐ…光ビーム
Ｐ’…散乱光
Ｗ…記録用紙（記録媒体）
１ａ１…インクジェットヘッド
１ａ１Ｓ…ノズル面

特許４９２５１８４号公報

Claims (8)

1. 記録媒体の搬送方向と直交する幅方向に整列配置されて前記記録媒体に向けて液滴を吐出する複数個のノズルと、前記記録媒体の搬送方向と直交する幅方向一方の側に設けられた発光部と、前記記録媒体の幅方向他方の側に設けられた受光部とを備え、
   前記発光部は、発光素子と、該発光素子からの光を集光して光ビームとして射出させる集光レンズと、前記光ビームを通過させるアパーチャ開口が形成された絞り部材とを有し、
   前記アパーチャ開口は菱形又は矩形からなり、前記受光素子の受光面は、前記菱形又は矩形のアパーチャ開口を通じて輪郭が規定された菱形又は矩形の光ビームの対角線の延長線上であって前記記録媒体の搬送方向にずらして配置されていることを特徴とする液滴吐出状態検出装置。
2. 前記アパーチャ開口の対角線の一方は、前記記録媒体の搬送方向と平行方向とされ、前記アパーチャ開口の対角線の他方は記録媒体に対して垂直方向とされ、前記光ビームが前記アパーチャ開口を通過した際に生じる前記光ビームの回折光が前記アパーチャ開口の輪郭を規定する各辺が存在する方向に生じることを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出状態検出装置。
3. 前記発光部を、前記ノズルの位置に対応させて前記記録媒体の搬送方向に移動させる移動機構を備えていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の液滴吐出状態検出装置。
4. 前記ノズルの整列配置方向に対して前記発光素子の光軸は傾いて設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の液滴吐出状態検出装置。
5. 前記受光部の受光面は、前記発光素子の光軸に垂直な直線に対して前記発光素子の側に向けて所定角度傾いて設けられていることを特徴とする請求項４に記載の液滴吐出状態検出装置。
6. 前記集光レンズが前記光ビームを平行光束に変換するコリメートレンズ又は前記光ビームを収束光束に変換する凸レンズであることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の液滴吐出状態検出装置。
7. 前記集光レンズが前記光ビームのビーム径を変更可能なレンズから構成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の液滴吐出状態検出装置。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれか１項に記載の液滴吐出状態検出装置を備えた画像形成装置。