JP4539054B2 - 印刷材の収容容器およびその検出装置 - Google Patents

Description

本発明は、印刷材を収容し、印刷装置に装着される収容容器とこの収容容器に収容された印刷材の状態を検出する検出方法に関する。

印刷装置の印刷材を収容した収容容器としては、例えばインクジェットプリンタ用のインクカートリッジや、レーザプリンタや複写機用のトナーカートリッジなど種々のものが知られている。こうした収容容器では、収容している印刷材の状態を検出し、適正な管理を行ないたいという要請が存在する。例えば、容器内に残存するインクの状態（残存量、温度、粘度、圧力など）を測定し、カートリッジ内のインク量を管理したり、インク滴の大きさを制御するために用いたりしている。こうした検出部には、様々な検出素子が使用可能だが、その一例として、インク量を測定するためのセンサに圧電素子を用いる技術（下記特許文献１）を挙げることができる。圧電素子は、電圧を与えると歪む性質を持っており、この歪みを利用して振動を発生する。この技術は、キャビティに圧電素子を臨ませ、圧電素子の歪みにより発生した振動から引き起こされる共振現象の共振周波数の違いから、インク量を検出している。印刷装置は、このようなカートリッジと所定の通信を行うことにより、センサが検出したインク量を取得することができる。通信は、印刷装置とカートリッジとを電気的に接触させて行うものと、電磁波を利用して非接触式に行うものがあった。

特開２００１−１４７１４６号公報

圧電素子は歪み具合によって、発生する振動の大きさが左右されるため、与える電圧が小さく、歪みが微少な場合、充分な振動が発生せず、センサが正常に機能しないおそれがあった。また、印刷装置と非接触式に通信を行うカートリッジは、印刷装置から直接電力が供給されないため、上述のセンサを駆動するための電力を、受信した電磁波を利用して電磁誘導により生成する必要があった。しかし、従来のカートリッジでは、電磁誘導により生成した電力は微弱であり、高い電圧を印加する必要のあるセンサを駆動することは困難であった。こうした電力供給の問題は、容器に電池を収容し、電池を電源として用いる場合でも、センサの使用電力が電池からの供給電力を上回れば、同様に生じる。

このような課題は、インクを収容したインクカートリッジに限らず、他の印刷材、例えば、トナーを収容するカートリッジ（収容容器）についても同様である。本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、検出素子からの放電によるエネルギの解放に伴う現象を利用して、印刷材の状態を検出することを目的としている。

上記課題の少なくとも一部を解決するため、本発明は、印刷材を収容した収容容器に設けられた検出素子を用いて、該印刷材の状態を検出する際、前記検出素子に、所定インピーダンスの供給回路を介して、電気エネルギを供給し、該検出素子に蓄えられた電気エネルギを、前記供給回路のインピーダンスより低インピーダンスの放電回路を介して放電させ、該放電によるエネルギの解放に伴う現象を利用して、前記印刷材の状態を検出する。

本発明によれば、検出素子へのエネルギの供給を行なう供給回路のインピーダンスを電気エネルギの供給を行なう供給回路のインピーダンスより大きくしたので、検出部の駆動に必要な単位時間あたりの電力を低減するとともに、放電時に解放する単位時間あたりのエネルギを大きくすることができる。従って、検出素子からの放電時に大きなエネルギを解放することができ、印刷材の状態の検出精度を向上することが可能となる。なお、容器は、印刷装置へ着脱可能なものでもよいし、着脱不能に取り付けられているものでもよい。また、容器は、印刷材の補充が不可能なタイプのものであってもよいし、補充可能なタイプのものであってもよい。

かかる検出技術を適用した印刷材の収容容器の発明は、
検出素子からの放電によるエネルギの解放に伴う現象を利用して、前記印刷材の状態を検出する検出部と、
前記検出部を駆動する駆動回路であって、該圧電素子から前記放電を行なう放電回路と、該放電回路より大きなインピーダンスを有し、前記検出素子に前記放電に利用されるエネルギを供給する供給回路とを備えた駆動回路と
を備えたことを要旨とする。

以下、本発明の実施の形態について実施例に基づき次の順序で説明する。
Ａ．カートリッジの概略構成：
Ｂ．カートリッジの電気構成：
Ｃ．インク残量検出部の回路構成：
Ｄ．インク残量測定ルーチン：
Ｅ．効果：
Ｆ．変形例：

Ａ．カートリッジの概略構成：
図１は、カートリッジ１００の外観斜視図である。カートリッジ１００の下部には、プリンタの印刷ヘッドにインクを供給するためのインク供給口１１０が設けられており、上部にはプリンタと電波により通信するためのアンテナ１２０や、インク残量を測定するセンサＳＳ、ロジック回路１３０が備えられている。

本実施例では、センサＳＳに圧電素子を用いるものとした。カートリッジ１００は、センサＳＳの圧電素子を振動させることにより生成した弾性波をインク液面に射出し、その反射波と残留振動の合成による逆起電力を測定することによりインク量の測定を行う。

Ｂ．カートリッジの電気構成：
図２は、カートリッジ１００に備えられたロジック回路１３０のブロック図である。ロジック回路１３０は、ＲＦ回路２００、制御部２１０、センサ駆動電圧生成部２２０、インク残量検出部２３０、電力生成部２４０を備えている。

ＲＦ回路２００は、アンテナ１２０を介してプリンタＰＴから受信した電波を復調する復調部２０１と、制御部２１０から入力した信号を変調してプリンタＰＴに送信する変調部２０２とを備えている。プリンタＰＴは２７．１２ＭＨｚの搬送波を発振しており、この搬送波をＡＳＫ変調することにより制御信号をカートリッジ１００に送信する。ＡＳＫ変調とは搬送波の振幅をデジタル信号に対応させて変化させる方式である。

一方、制御部２１０からプリンタＰＴに返信されるコマンドやデータは、変調部２０２によりＰＳＫ変調して送信を行う。ＰＳＫ変調とは、搬送波の位相をデジタル信号に対応させて変化させる方式である。プリンタＰＴとカートリッジ１００とは、このような方式により相互に通信を行う。なお、ここで説明した変調方式は例示に過ぎず、他の変調方式を利用可能であることはいうまでもない。

制御部２１０は、復調部２０１により復調された制御信号に応じて種々の制御を行う。この制御は、例えば、インク残量検出部２３０を用いてインク量を検出するための信号を、インク残量検出部２３０に送信したりする制御である。

電力生成部２４０は、ＲＦ回路２００が受信した搬送波を整流して電力を生成する。ここでは、生成される電力は５Ｖである。図では結線を省略したが、電力生成部２４０は、ＲＦ回路２００や制御部２１０等に接続されており、各々を駆動するための電力源として用いられる。また、図の太線で示すように、電力生成部２４０には、センサ駆動電圧生成部２２０が接続されている。

一方、センサ駆動電圧生成部２２０は、センサＳＳを駆動するために必要となる電圧を生成する。圧電素子は、電圧の大きさによらず、電圧を印加して電荷を蓄積すれば電歪効果により歪み、放電によりその電荷を解放すれば、歪みが解放解放されて自由振動を起こす。センサＳＳは、この圧電素子の自由振動を利用して、インク残量の検出を行なうが、振動の大きさは、印加した電圧の大きさに比例するから、圧電素子を振動させるために、本実施例では、１８Ｖ程度の高い電圧を用いるものとしている。そこで、センサ駆動電圧生成部２２０を昇圧型のチャージポンプにより構成した。なおセンサ駆動電圧生成部２２０は、チャージポンプ１つでは出力電圧が低い場合に、多段階にチャージポンプを組み合わせて用いるものとしてもよい。また、スイッチングレギュレータ等の各種昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータを用いてもよい。

Ｃ．インク残量検出部の回路構成：
図３は、インク残量検出部２３０の回路構成である。図示するようにインク残量検出部２３０は、２つのトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２と、２つの抵抗器Ｒ１、Ｒ２と、アンプ２３２と、コンパレータ２３４と、カウント制御部２３６と、カウンタ２３８と、図示しない発振器とを備えている。また、インク残量検出部２３０は、制御部２１０からの充電信号をトランジスタＴｒ１に入力するための端子ＴＡと、放電信号をトランジスタＴｒ２に入力するための端子ＴＢと、カウント制御部２３６に信号を入力するための入力端子ＴＣと、発振器からのカウントクロックをカウンタ２３８に入力するための端子ＴＤと、カウンタ２３８の出力値を制御部２１０に出力するための端子ＴＥとを備えている。

トランジスタＴｒ１はＰＮＰ型トランジスタであり、ベースは端子ＴＡと接続され、エミッタはセンサ駆動電圧生成部２２０に接続されている。そしてコレクタは抵抗器Ｒ１を介してセンサＳＳに接続されている。一方、トランジスタＴｒ２はＮＰＮ型トランジスタであり、ベースは端子ＴＢに接続され、コレクタは抵抗器Ｒ２を介してセンサＳＳに接続されている。そしてエミッタは接地されている。二つのトランジスタＴｒ１，Ｔｒ２は、ＰＮＰ型とＮＰＮ型であるため、端子ＴＡをロウに落とすとトランジスタＴｒ１はオン状態となり、端子ＴＢをハイにするとトランジスタＴｒ２は、オン状態となる。なお、説明の都合上、ＴＡ，ＴＢは、それらの端子に入力する信号を用いて、充電信号ＴＡ，放電信号ＴＢと呼ぶことがある。

センサＳＳの一端は、抵抗器Ｒ１と抵抗器Ｒ２との接続点に接続され、他端は接地されている。センサＳＳの一端は、アンプ２３２にも接続されている。抵抗器Ｒ１，抵抗器Ｒ２は、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２を介して、センサ駆動電圧生成部２２０および接地ラインに接続されている。従って、センサＳＳは、センサ駆動電圧生成部２２０−トランジスタＴｒ１−抵抗器Ｒ１からなる供給回路により電気的なエネルギの供給を受けて充電され、抵抗器Ｒ２−トランジスタＴｒ２−接地ラインからなる放電回路により、その電荷を放電することができる。アンプ２３２はさらにコンパレータ２３４に接続されており、コンパレータ２３４の出力端子はカウント制御部２３６に接続されている。カウント制御部２３６の出力端子は、カウンタ２３８に接続されている。カウンタ２３８の出力端子は、端子ＴＥに接続されている。

充電時に使用される抵抗器Ｒ１は、放電時に使用される抵抗器Ｒ２よりも、抵抗値の大きな抵抗器である。抵抗器Ｒ１の抵抗値ｒ１と抵抗器Ｒ２の抵抗値ｒ２とは、次のように定めた。圧電素子を用いたセンサＳＳでは、これに電荷を蓄積すると電歪効果によりセンサＳＳには機械的な歪みが生じる。この状態から蓄積した電荷を放電すると、単位時間当たりに解放するエネルギの大きさに比例して歪みが解放され、センサＳＳには振動が発生する。この振動を利用して検出を行なうことから、単位時間に解放するエネルギを大きくしたいので、抵抗値ｒ２は、できるだけ小さくしている。トランジスタＴｒ２のオン抵抗なども存在するので、放電回路のインピーダンスｒｄが０になることはあり得ないから、抵抗器Ｒ２は、実際には設けない場合（ｒ２＝０）もあり得るのである。他方、センサＳＳへの電気エネルギの供給（実際にはトランジスタＴｒ１を介した充電）は、最終的にはセンサ駆動電圧生成部２２０が単位時間に出力可能なエネルギにより制限されてしまう。供給回路の回路抵抗を小さくしても、実際にはセンサ駆動電圧生成部２２０の内部抵抗により供給される電流は制限されてしまう。そこで、抵抗器Ｒ１の抵抗値ｒ１は、センサ駆動電圧生成部２２０の出力電圧Ｖと、この生成部２２０から無理なく取り出せる電流の上限値ｉmax とを用いて、センサＳＳへの供給回路の回路抵抗ｒｃが、
ｒｃ＝Ｖ／ｉmax
となるように定める。具体的には、トランジスタＴｒ１のオン抵抗ｒＯＮと回路の布線抵抗ｒｒとを用いて
ｒ１＝ｒｃ−ｒＯＮ−ｒｒ
として定めればよい。本実施例では、供給回路のインピーダンスｒｃと放電回路のインピーダンスｒｄとを、
ｒｃ＞ｒｄ
としているので、センサ駆動電圧生成部２２０から単位時間あたりに供給されるエネルギを、放電時に単位時間あたりに解放されるエネルギより、かなり小さくすることができる。従って、センサＳＳが検出に必要となるエネルギを、時間をかけて蓄積し、短時間に解放することで、エネルギの供給能力の小さなセンサ駆動電圧生成部２２０を用いながら、検出用の充分な共振現象を、センサＳＳに発生させている。

以下、図４で示すタイミングチャートを参照して上記回路の動作を説明する。初期状態では、充電信号ＴＡ，放電信号ＴＢは共にハイになっており、トランジスタＴｒ１はターンオフし、トランジスタＴｒ２はターンオンしている。従って、センサＳＳには、トランジスタＴｒ２を介して接地されており、電荷は蓄積されていない。センサＳＳを用いた測定を開始すると、まず放電信号ＴＢをロウとし、トランジスタＴｒ２をターンオフする。続いて、制御部２１０からの充電信号ＴＡがロウになると、トランジスタＴｒ１はオン状態となる（時刻ｔ１）。そのため、区間ｔ１〜ｔ２では、センサ駆動電圧生成部２２０により生成した電圧が抵抗器Ｒ１を介してセンサＳＳに印加されることとなり、センサＳＳに電荷が蓄積され、センサＳＳの端子電圧は、センサ駆動電圧生成部２２０で生成した電圧まで徐々に上昇する。このとき、抵抗器Ｒ１を介して充電を行っているため、単位時間あたりに蓄積されるエネルギは、抵抗器Ｒ２を介して行なう放電の単位時間あたりのエネルギよりも、少なくなる。そのため、図４に示したように、充電時の勾配が放電時の勾配より緩やかな波形となる。充電によりセンサＳＳは電気エネルギを蓄積すると共に、電歪効果により、その内部に機械的な歪みを蓄積する。即ち、センサＳＳは、変形するのである。

次に、制御部２１０が、時刻ｔ２で充電信号ＴＡをハイにするとトランジスタＴｒ１はターンオフし、時刻ｔ３で放電信号ＴＢをハイにするとトランジスタＴｒ２は、ターンオンする。この結果、区間ｔ３〜ｔ４では、トランジスタＴｒ２がオン状態になり、センサＳＳに蓄積された電荷は抵抗器Ｒ２を介して放電される。本実施例ではトランジスタＴｒ１、Ｔｒ２が共にオンとなるのを回避するため、双方がオフとなる区間ｔ２〜ｔ３を設けた。この放電によって、センサＳＳは、充電により内部に蓄積した歪みを一気に放出して変形し、その後電圧が印加されていない状態となるから自由振動の可能な状態となり、センサＳＳに残る振動のエネルギを用いて、キャビティの共振周波数で自由振動することになる。自由振動であってもセンサＳＳが変形することに変わりはないから、変形によりセンサＳＳの両端には電圧が生じる。その電圧の変化はアンプ２３２によって増幅され、コンパレータ２３４に出力される。コンパレータ２３４は、この増幅された電圧の変化を所定の比較電圧Ｖｒｅｆと比較して、ハイ／ローの２つの信号に変換してカウント制御部２３６に出力する。カウント制御部２３６は、端子ＴＣから入力された信号に従って、圧電素子の共振開始後、コンパレータ２３４からの出力信号５パルス分の期間、カウンタ２３８の動作を有効にするためのカウント制御信号を生成する。カウンタ２３８は、カウント制御信号がハイ（カウントイネーブル）の期間、端子ＴＤから入力されたカウントクロックを利用して、そのパルス数をカウントする。カウンタ２３８のカウント値は、制御部２１０に送られ、プリンタＰＴに送信される。プリンタＰＴ側では、カウンタ２３８のカウント値から、センサＳＳの振動周波数を算出して、カートリッジ１００内のインク量を測定する。

Ｄ．インク残量測定ルーチン：
図５は、インク量測定ルーチンのフローチャートである。この処理は、インクカートリッジ１００での処理とプリンタＰＴでの処理とによって行われる。まず、インクカートリッジ側では、制御部２１０は、ＲＦ回路２００を介してプリンタＰＴからインク量測定コマンドを入力する（ステップＳ１００）と、充電信号をインク残量検出部２３０に出力し（ステップＳ１０１）、所定時間経過後に放電信号を出力する（ステップＳ１０２）。そして、インク残量検出部２３０のカウンタ２３８でカウントクロックをカウントし（ステップＳ１０３）、制御部２１０は、そのカウント値を、ＲＦ回路２００を介してプリンタＰＴに出力する（ステップＳ１０４）。プリンタＰＴ側では、インク残量検出部２３０が備える発振器の発振周波数を既知であり、このカウント値からセンサＳＳの振動周波数を算出し、その周波数に応じてインク残量の状態を判別する（ステップＳ１０５）。プリンタＰＴ側では、この周波数が９０ＫＨｚのときはインクが十分に存在すると判断し（ステップＳ１０６）、１１０ＫＨｚのときはインクがないものと判断する（ステップＳ１０７）。以上の処理によりカートリッジ内に残存するインク量を測定することができる。

Ｅ．効果：
上述したように、本実施例では、充電時に使用する抵抗器の抵抗値を高く、放電時に使用する抵抗器の抵抗値を低く設定することとした。このような構成にすることにより、センサに供給可能な単位時間あたりの電力を低く抑えながら、共振現象を発生させる充分な電力を供給することが可能となる。しかも、放電時には、短期間に大きなエネルギを解放することができるから、センサＳＳに大きな振動を生じさせることができ、センサＳＳの振動を利用したインク残量の検出を精度良く行なうことができる。

Ｆ．変形例：
本実施例のカートリッジ１００において、更に、図２のＲＯＭ１２を、カートリッジ１００に関する種々の情報を記憶するメモリ部としてもよい。メモリ部には、カートリッジ１００の製造番号や製造日、充填されたインクの種類等の情報が予め記録されている。メモリ部としては、例えば、ＥＥＰＲＯＭが挙げられる。上述した本実施例のインク量測定ルーチンでは、ステップＳ１０７においてインクの残存状態を表すデータをプリンタに送信するものとしたが、それと同時に、あるいは代替してメモリ部にそのデータを書き込むこととしてもよい。こうすることにより、カートリッジをプリンタから取り外して他のプリンタに装着した場合に、再度インク量の測定をしなくても即座にインクの残存状態を知ることができる。

また、本実施例のカートリッジ１００において、センサ駆動電圧生成部２２０とは別に、電力生成部２４０の電力を利用して、前述のメモリ部に電力を供給するメモリ電圧生成部を備えることとしてもよい。こうすることにより、メモリ部にデータ書き込みに要する電圧と、センサを駆動するために必要となる電圧が異なる場合であっても、それぞれが必要とする電力を効率的に生成することができる。

また、センサ駆動電圧生成部を、メモリ部に電力を供給するための第２の電力生成部として兼用してもよい。こうすることにより、インクカートリッジの回路構成を簡略化することができる。

上記実施例では、インクを収容したインクカートリッジに本発明を適用した例を示したが、これに限られない。他の印刷材、例えば、トナーを収容したトナーカートリッジに本発明を適用してもよい。

上記実施例では、制御部２１０をハードウェア的に構成するものとしたが、ソフトウェア的に構成するようにしてもよい。例えば、制御部２１０の代わりに、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭなどを備えるマイクロコンピュータを用いるものとしてもよい。また、インク残量の測定をインクカートリッジ１００側とプリンタＰＴ側の処理によって行うものとしたが、インクカートリッジ１００側で全ての処理を行うものとしてもよい。

上記の実施例では、カートリッジ１００側の電力は、通信用の電磁波から生成するものとしたが、カートリッジ１００に小型のボタン電池などを収納し、この電池の電力を用いて、センサＳＳを駆動するものとしても良い。この場合でも、電力を供給する供給回路のインピーダンスを放電回路のインピーダンスより大きくすることで、充電時の単位時間当たりの電力を低く抑えることができ、小型電池の使用が可能となる。また、電池の使用可能期間を長くすることもできる。

更に、上記実施例では、印刷材の状態としてインク残量を検出するものとしたが、検出対象としては、これに限る必要はなく、印刷材の温度、湿度、密度、質量、粘度、あるいは圧力などを検出するものとしても良い。印刷材料の温度、湿度、密度などの性状の変化は、何らかの形で共振周波数の変化として取り出すことができるからである。

上記実施例では、回路のインピーダンスは、抵抗器Ｒ１，Ｒ２により調整したが、他の手法でインピーダンスを調整しても良い。例えば、トランジスタＴｒ１，Ｔｒ２のオン抵抗などによって調整しても良い。あるいは、センサＳＳへの充放電の時間（周波数）を勘案し、コイル成分を設けてインピーダンスを調整しても良い。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上述の実施例に何ら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲内において種々の態様で実施し得ることは勿論である。例えば、アンテナ１２０およびロジック回路１３０の全部または一部を１チップ化したシステムＬＳＩとして構成してもよい。

カートリッジ１００の外観斜視図である。 カートリッジ１００のロジック回路のブロック図である。 インク残量検出部２３０の回路構成である。 インク残量検出部２３０を構成する回路のタイミングチャートである。 制御部２１０が実行するインク量測定ルーチンのフローチャートである。

符号の説明

１００…カートリッジ
１１０…インク供給口
１２０…アンテナ
１３０…ロジック回路
２００…ＲＦ回路
２０１…復調部
２０２…変調部
２１０…制御部
２２０…センサ駆動電圧生成部
２３０…インク残量検出部
２３２…アンプ
２３４…コンパレータ
２３６…カウント制御部
２３８…カウンタ
２４０…電力生成部
ＳＳ…センサ

Claims (4)

1. 印刷材を収容し、印刷装置に搭載される収容容器であって、
   検出素子からの放電によるエネルギの解放に伴う現象を利用して、前記印刷材の状態を検出する検出部と、
   前記検出部を駆動する駆動回路であって、所定インピーダンスを有し前記検出素子から前記放電を行なう放電回路と、該放電回路より大きなインピーダンスを有し、前記検出素子に前記放電に利用される電気エネルギを供給する供給回路とを備え、前記検出素子からの放電を前記電気エネルギの供給より短時間で行なわせる駆動回路と、
   該駆動回路の前記供給回路を用いた前記検出素子の充電と、前記放電回路による前記検出素子からの放電開始のタイミングとを制御する制御回路と、
   前記印刷装置からの信号が重畳された電磁波を受信する受信部と、
   前記受信部により受信した電磁波から得られる電力の電圧を昇圧し、該昇圧した電圧の電力を生成する電力生成部と
   該昇圧した電力を、前記駆動回路の電源として供給する電力供給部と
   を備えた印刷材の収容容器。
2. 前記検出素子は圧電素子である請求項１記載の印刷材の収容容器。
3. 請求項２記載の印刷材の収容容器であって、
   前記駆動部は、前記圧電素子への前記電気エネルギの供給の後に行なわれる前記放電により、共振現象を発生させ、
   前記検出部は、前記共振現象により得られる共振周波数から、前記印刷材の状態を検出する収容容器。
4. 請求項２記載の収容容器であって、
   前記受信部は、前記印刷装置との間で、前記印刷材の状態を含むデータをやりとりする通信部の一部として設けられた収容容器。

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