JP4677885B2 - 液体検出装置及びそれを備えた液体収容容器 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、記録ヘッドへ供給するインクなどの液体を検出する液体検出装置及びそれを備えた液体収容容器に関する。

捺染装置やマイクロディスペンサ、さらには超高品質での印刷が求められる商業用記録装置等の液体噴射ヘッドは、液体収容容器から被吐出液の供給を受けるが、液体が供給されていない状態で作動させると、いわゆる空打ちとなって噴射ヘッドが損傷を受けるため、これを防止すべく容器の液体残量を監視する必要がある。

例えば、記録装置に例をとると、液体収容容器であるインクカートリッジのインク残量を検出する方法はいろいろ提案されているが、液体の残量が規定値以下に低下した時点で、平板がバネの付勢力により移動して検出機構から離間し、検出機構からの検出信号の出力が停止されることにより、インクの減少を確認する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−３０６６０４号公報

上記の検出機構は、インクの減少を平板の離間によって検出することにより、インクの減少した時点を正確に検出することができるが、より確実にインクの減少を把握するために、インク自体を直接検出することが望まれている。
また、検出機構内のセンサ室に振動を付与し、その残留振動の波形を圧電素子によって検出することにより、センサ室内のインクの有無を直接的に検出することが考えられているが、残留振動の振幅は極めて小さいため、液体の有無による残留振動の波形の違いを正確に区別することが難しく、したがって、振動波形の違いを確実に判別することが可能な機構が要求されていた。

そこで本発明は、液体の残留振動を確実に検出し、液体の有無を高精度に検出することが可能な液体検出装置及びそれを備えた液体収容容器を提供することを目的としている。

上記課題を解決することのできる本発明に係る液体検出装置は、液体を貯蔵した液体収
容部に連通する液体流入口及び液体の供給先に連通する液体流出口を備えた圧力センサ室
と、前記圧力センサ室と連通するキャビティが形成されたセンサ本体と、該キャビティの一面を構成する振動板と、当該振動板に取り付けられて前記圧力センサ室内の液体に振動を印加するとともに当該振動に伴う前記振動板の自由振動の状態に応じた信号を出力する圧電素子とを有する圧電センサと、前記圧電センサを前記圧力センサ室内の液量に応じた位置に変位可能に支持し、前記圧電センサとともに前記圧力センサ室の一部を形成し、可撓性を有するダイヤフラムと、前記圧力センサ室を形成する壁面に向かって前記圧電センサを付勢する付勢手段とを備え、前記圧力センサ室内の液量の減少に伴い、前記付勢手段の付勢力により前記圧電センサが前記壁面に当接され、前記キャビティが閉ざされることを特徴としている。

上記構成の液体検出装置によれば、圧電素子によって液体に振動を印加して振動板の残
留振動の振幅の変動（振幅の有無等）、または振動板の残留振動の周波数の変動を監視す
ることにより、圧力センサ室内における液体の有無を正確に検出することができる。
特に、振動板を備えた圧電センサを、可撓性を有するダイヤフラムによって支持したの
で、少ない部品点数にて振動板の残留振動をより大きなレベルに増幅することができ、圧
力センサ室内における液体の有無を確実に検出することができる。
これにより、圧力センサ室内の液量が減少した際に、付勢手段によって圧電センサを圧力センサ室の壁面に確実に当接させてキャビティを閉鎖させることができる。
つまり、圧力センサ室内の液体が減少した際に、圧電素子による振動作用領域を確実に変化させて圧力センサ室内における液体の有無をより確実に検出することができる。

また、上記構成の液体検出装置において、前記付勢手段が、前記圧力センサ室内に流入する液体の液圧よりも弱い付勢力を有することが望ましい。
これにより、圧力センサ室内の液圧の減少に伴って圧電センサを確実に変位させることができ、圧力センサ室内に液体が存在するにも関わらず圧電センサが変位してしまうような誤動作をなくすことができ、高い精度にて液体を検出することができる。

さらに、前記ダイヤフラムは、アルミニウムをラミネートしたアルミラミネートフィルムから形成されていることが好ましい。
これにより、ダイヤフラムにおける気密性を高めることができ、圧力センサ室内の液体への気体の侵入を確実に防止し、高い脱気度を維持させることができる。

また、上記課題を解決することのできる本発明に係る液体収容容器は、加圧手段に加圧されて液体を送り出す液体収容部と、前記液体収容部に連通し、外部に液体を供給する液体供給口とを備え、前記液体収容部と前記液体供給口との間に、上記の何れかの液体検出装置が設けられたことを特徴としている。

上記構成の液体収容容器によれば、外部の液体消費装置等に装着し、加圧手段によって液体収容部を加圧した状態にて、液体収容部内の液体の有無を、液体収容部と液体供給口との間に設けた液体検出装置によって確実に検出することができる。
これにより、例えば、捺染装置、マイクロディスペンサさらには超高品質での印刷が求められる商業用記録装置等の液体噴射ヘッドへインク等の液体を供給する液体収容容器に適用した際に、この液体収容容器の液体が空となって液体が供給されていない状態で装置を作動させてしまう、いわゆる空打ちをなくすことができ、空打ちによる噴射ヘッドの損傷を防止することができる。

本発明の液体検出装置によれば、圧電素子によって液体に振動を印加して振動板の自由振動の振幅の変動（振幅の有無等）、または振動板の自由振動の周波数の変動を監視することにより、圧力センサ室内における液体の有無を検出することができる構成となっており、振動板を備えた圧電センサを、可撓性を有するダイヤフラムによって支持したので、少ない部品点数にて振動板の自由振動をより大きなレベルに増幅することができ、圧力センサ室内における液体の有無を確実に検出することができる。
そして、この液体検出装置を備えた液体収容容器によれば、例えば、捺染装置、マイクロディスペンサさらには超高品質での印刷が求められる商業用記録装置等の液体噴射ヘッドへインク等の液体を供給する液体収容容器に適用した際に、この液体収容容器の液体が空となって液体が供給されていない状態で装置を作動させてしまう、いわゆる空打ちをなくすことができ、空打ちによる噴射ヘッドの損傷を防止することができる。

以下、本発明に係る液体検出装置及びそれを備えた液体収容容器の実施形態について図面を参照して説明する。なお、本実施形態では、液体収容容器として、記録装置に装着される密閉型のインクカートリッジを例にとって説明する。
図１は、本発明の液体検出装置を備えた液体収容容器の実施形態を示す断面図、図２は、液体検出装置の構造を示す断面図である。
図１に示すように、このカートリッジ（液体収容容器）１は、記録装置に装着されるもので、半殻体をなす有底箱体からなる第１のケース１０と第２ケース２０とを合体させてケースが構成されている。第１のケース１０にはインク等の液体を収容する液体収容部２を形成すべく第１のケース１０に形成された開口部を樹脂フィルム等からなる可撓性膜体３により覆い、第１のケース１０の周囲に熱溶着等で接合している。一方、可撓性膜体３の他方の側には、可撓性膜体３の熱溶着した部分に第２のケース２０の周囲が圧接して、第２のケース２０と可撓性膜体３との間で形成された気密空間が形成されている。この気密空間は、外部から図示しない加圧流体導入口より加圧流体（加圧空気）が導入される加圧領域４とされ、この加圧領域４に加圧流体が導入されることにより、可撓性膜体３が加圧され、第１のケース１０内の液体が、外部に排出する方向に加圧される。

なお、液体収容部２の構成としては、図１に示すようにケースと可撓性膜体からなるものの他、アルミラミネートフィルムなどの可撓性を有する樹脂フィルムの相互の周縁部を張り合わせることにより形成されたインクパックをカートリッジのケース内に収容したものでも良い。

また、第１のケース１０の外面には、記録装置の液体供給路と接続される液体供給口５が形成されている。この液体供給口５には、記録装置の記録ヘッドと導通した液体導入部材である液体導入針６の外周に弾接する開口を有するパッキン７と、パッキン７の端面に当接してパッキン７の開口を封止する弁体８と、弁体８をパッキン７の方向に付勢するコイルバネ等のバネ９とが設けられている。
そして、この液体供給口５では、記録装置と未接続の状態にて、バネ９により常時閉弁状態が維持され、また、接続された状態にて、液体導入針６により弁体８が開弁方向に押圧されて開弁する。
液体供給口５と液体収容部２とは、液体流入口１１Ａ及び液体流出口１１Ｂにより連通されており、これら液体流入口１１Ａ及び液体流出口１１Ｂの途中に液体検出装置３０が設けられている。

図２は、液体検出装置３０を示す断面図であり、記録装置に接続された状態で、底部となる領域に液体収容部２に繋がる液体流入口１１Ａに連通する開口３１と、液体供給口５に繋がる液体流出口１１Ｂに連通する開口３２とを備えた筒状の液体検出室３３を備えている。そして、この液体検出室３３には、その内部に、圧電センサ３４が設けられている。

この圧電センサ３４は、センサチップ４０を有している。このセンサチップ４０は、円形開口よりなるセンサキャビティ４１をその中心に有するセラミック製のセンサ本体４２と、このセンサ本体４２の上面に積層され、センサキャビティ４１の上面を構成する振動板４３と、振動板４３の上に積層された圧電素子４４と、センサ本体４２の上に積層された端子４５Ａ，４５Ｂとで構成されている。

圧電素子４４は、端子４５Ａ，４５Ｂに接続された上下の電極層と、上下の電極層の間に積層された圧電層とからなり、例えば、センサキャビティ４１内の液体の有無による圧電素子４４の電気特性の変化でセンサキャビティ４１に液体が閉じ込められた状態となったか、否かを判断する。

センサチップ４０は、センサ本体４２の下面を、金属製のセンサベース４６の上面中央部に接着層を介して一体に固着されており、この接着層によってセンサベース４６とセンサチップ４０間がシールされている。
このように、センサチップ４０が搭載されたセンサベース４６は、ユニットベース４７に形成された凹所４７Ｃに収容されている。そして、センサベース４６とユニットベース４７とは、その上から樹脂製のダイヤフラム４８により被覆されて一体に固着されている。

ダイヤフラム４８には、中央に開口４８Ａが形成されていて、センサベース４６をユニットベース４７の上面の凹所４７Ｃに収容した状態で、その上から被せて接着することにより、中央の開口４８Ａからセンサチップ４０が露出されている。
つまり、ダイヤフラム４８の内周側を、センサベース４６及びユニットベース４７の上面に接着させることにより、センサベース４６とユニットベース４７との間が互いに固着されると同時にシールされている。

このダイヤフラム４８は、アルミラミネートされた樹脂フィルムからなるもので、その外周側は、液体検出室３３を形成する内周壁３３Ａにおける所定高さ位置に、液密的に固着されている。
これにより、圧電センサ３４は、ダイヤフラム４８によって液体検出室３３内にて、その上下方向に変位可能に支持されている。
そして、液体検出室３３が、ダイヤフラム４８によって支持された圧電センサ３４によって上下に分割され、液体流入口１１Ａ及び液体流出口１１Ｂと連通する空間部分が圧力センサ室３３Ｂとされており、この圧力センサ室３３Ｂ内に、液体流入口１１Ａを介して液体収容部２からインクが送り込まれるようになっている。

また、センサベース４６及びユニットベース４７には、互いに連通する流路４６Ａ，４７Ａが形成されており、これら流路４６Ａ，４７Ａは、センサチップ４０のセンサキャビティ４１に連通している。圧電センサ３４が下方へ変位された際には、ユニットベース４７の下面が液体検出室３３を形成する底面３３Ｃに接触可能であり、流路４６Ａ，４７Ａが圧力センサ室３３Ｂから遮断されるようになっている。

また、圧電センサ３４には、液体検出室３３の上面３３Ｄとの間に、圧縮バネ（付勢手段）５０が設けられており、この圧縮バネ５０によって圧電センサ３４が液体検出室３３の底面３３Ｃ側へ向かって付勢されている。
これにより、上記圧電センサ３４を備えた液体検出装置３０は、加圧流体である空気が加圧領域４に未供給の状態では、圧電センサ３４が圧縮バネ５０の付勢力を受けて液体検出室３３の底面３３Ｃに位置する。

ここで、この圧縮バネ５０の付勢力は、加圧領域４内に加圧流体である空気が供給されて圧力センサ室３３Ｂに送り込まれるインクの液圧よりも弱くされている。これにより、圧電センサ３４は、圧力センサ室３３Ｂ内に送り込まれるインクの液圧によって圧縮バネ５０の付勢力に抗して上方へ変位される。
そして、この状態にて、圧力センサ室３３Ｂ内のインクは、センサベース４６及びユニットベース４７の流路４６Ａ，４７Ａを介してセンサキャビティ４１に入り込む。

このように構成された圧電センサ３４の圧電素子４４に図３（イ）に示す充放電波形を印加すると、振動板４３、圧電素子４４及び液体、もしくは空気からなる振動系が自由振動する。この自由振動（残留振動）は、圧電素子４４に圧電効果による逆起電力を発生させるから、この逆起電力の周期を測定することにより振動周期を測定することができる。

次に、このように構成された上記液体検出装置３０を備えたインクカートリッジ１を記録装置に装着して使用する場合について説明する。
インクカートリッジ１を記録装置の装着部に装着すると、装着部の液体導入針６が液体供給口５に係合して弁体８が後退され、また、図示しない加圧流体供給源が加圧領域４に連通する。なお、加圧領域４は、流路により液体供給口５の形成されている面に導かれて、インクカートリッジ１を記録装置に装着した際に加圧流体供給源に接続できるように構成するのが望ましい。

上記のように、記録装置の装着部にインクカートリッジ１を装着した状態にて、加圧流体供給源から加圧領域４内に空気が供給されると、この加圧領域４に流入する空気によって液体収容部２が可撓性膜体３を介して加圧される。
これにより、液体収容部２のインクが液体流入口１１Ａを通って液体検出室３３の圧力センサ室３３Ｂ内に流れ込み、これにつれて液体検出室３３の圧電センサ３４は、図４に示すように、圧力センサ室３３Ｂ内に流れ込むインクの液圧によって圧縮バネ５０の付勢力に抗して上昇する。

これにより、圧力センサ室３３Ｂ内のインクが、圧電センサ３４のセンサベース４６及びユニットベース４７の流路４６Ａ，４７Ａを介してセンサキャビティ４１に入り込む。
そして、この圧力センサ室３３Ｂに流入したインクは、液体流出口１１Ｂを介して液体導入針６から記録装置内の流路に送り出され、記録ヘッドでの印刷に用いられる。

上記のように、圧力センサ室３３Ｂ内にインクが充填された状態にて、圧電素子４４に、図３（イ）に示したような駆動信号を供給すると、圧電素子４４がアクチュエータとして所定時間励起され、振動板４３が自由振動を開始する。これにより、振動板４３の自由振動によって圧電素子４４では逆起電力が発生し、この逆起電力が、出力波形の出力信号として出力される。
ここで、圧電センサ３４の振動板４３は、センサキャビティ４１、流路４６Ａ，４７Ａ及び圧力センサ室３３Ｂ内に充填されたインクが振動する、図３（ロ）に示すような比較的大きい振幅で自由振動する。また、圧電センサ３４は、その周囲が、可撓性を有するダイヤフラム４８によって液体検出室３３の内周壁３３Ａに支持されているので、振動板４３の自由振動が増幅され、これにより、圧電素子４４における逆起電力が増幅される。

記録装置におけるインクの消費が進んで液体収容部２のインクが少なくなると、加圧流体供給源から加圧空気を供給しても液体検出室３３の圧力センサ室３３Ｂにはインクが流入しなくなる。このため、圧力センサ室３３Ｂ内のインクは、記録装置におけるインクの消費とともに減少する。
圧力センサ室３３Ｂ内のインクの減少が所定量以下に低下すると、ダイヤフラム４８によって支持された圧電センサ３４が圧縮バネ５０の付勢力によってインクの減少に追従して下方に移動する。そして、この圧電センサ３４が液体検出室３３の底面３３Ｃに到達すると、図５に示すように、ユニットベース４７が液体検出室３３の底面３３Ｃに押圧され、センサキャビティ４１及び流路４６Ａ，４７Ａが圧力センサ室３３Ｂ内と遮断される。

この状態にて、圧電素子４４に、図３（イ）に示したような駆動信号を供給すると、圧電素子４４がアクチュエータとして所定時間励起され、振動板４３が自由振動を開始する。これにより、振動板４３の自由振動によって圧電素子４４では逆起電力が発生し、この逆起電力が、出力波形の出力信号として出力される。
ここで、圧電センサ３４の振動板４３は、圧力センサ室３３Ｂと遮断されたセンサキャビティ４１及び流路４６Ａ，４７Ａ内のインクが殆ど振動しないために自由振動が殆ど生じず、圧電素子４４からの出力信号は、図３（ハ）に示すように、変動波形のない信号とされる。

ここで、図６は、圧力センサ室３３Ｂにおけるインクの液量と圧電センサ３４の振動板４３の振幅との関係を示すグラフである。
前述したように、上記液体検出装置３０では、圧力センサ室３３Ｂ内にインクが充填された図６におけるＦの領域では、振動板４３の自由振動は、センサキャビティ４１、流路４６Ａ，４７Ａ及び圧力センサ室３３Ｂ内に充填されたインクが振動する比較的大きい振幅となる。

また、圧力センサ室３３Ｂ内のインクが減少して圧電センサ３４がインクの減少に追従して下方に移動する図６におけるＱの領域では、圧力センサ室３３Ｂ内のインク量の減少に伴って、振動板４３の自由振動の振幅は、過渡的に小さくなる。
そして、圧電センサ３４が液体検出室３３の底面３３Ｃに到達した後の図６におけるＥの領域では、振動板４３の自由振動は、センサキャビティ４１及び流路４６Ａ，４７Ａ内のインクが殆ど振動せず、極めて小さい振幅となる。

したがって、上記液体検出装置３０によれば、圧電素子４４からの出力信号に基づいて振動板４３の自由振動の振幅の変動（振幅の有無）を監視することにより、液体収容部２のインクが消費し尽くされたこと、または加圧流体供給源からの加圧空気の供給が停止したことを容易に検出することができる。

以上、説明したように、上記実施形態に係る液体検出装置３０及びそれを備えたカートリッジ１によれば、圧電素子４４によってインクに振動を印加して振動板４３の自由振動の振幅の変動を監視することにより、圧力センサ室３３Ｂ内におけるインクの状態（有無）を確実に検出することができる。なお、振動板４３の自由振動の振幅の変動を監視するだけでなく、振動板４３の自由振動の周波数の変動を監視することによってもインクの状態（有無）を検出することが可能である。
特に、振動板４３を備えた圧電センサ３４を、可撓性を有するダイヤフラム４８によって支持したので、少ない部品点数にて振動板４３の自由振動をより大きなレベルに増幅することができ、圧力センサ室３３Ｂ内におけるインクの状態を確実に検出することができる。
これにより、インクカートリッジ１のインクが空となってインクが供給されていない状態で記録装置を作動させてしまう、いわゆる空打ちをなくすことができ、空打ちによる記録装置の記録ヘッドの損傷を防止することができる。

また、圧力センサ室３３Ｂを形成する液体検出室３３の底面３３Ｃに向かって圧電センサ３４を付勢する圧縮バネ５０を備えたので、圧力センサ室３３Ｂ内の液量が減少した際に、圧縮バネ５０によって圧電センサ３４を圧力センサ室３３Ｂの底面３３Ｃに確実に当接させてキャビティを閉鎖させることができる。
つまり、圧力センサ室３３Ｂ内のインクが減少した際に、圧電素子４４による振動作用領域を確実に変化させて圧力センサ室３３Ｂ内における液体の有無を円滑に検出することができる。

また、圧縮バネ５０は、圧力センサ室３３Ｂ内に流入するインクの液圧よりも弱い付勢力を有するので、圧力センサ室３３Ｂ内の液圧の減少に伴って圧電センサ３４を確実に変位させることができ、圧力センサ室３３Ｂ内にインクが存在するにも関わらず圧電センサ３４が変位してしまうような誤動作をなくすことができ、高い精度にて液体を検出することができる。
さらに、ダイヤフラム４８が、アルミニウムをラミネートしたアルミラミネートフィルムから形成されているので、ダイヤフラム４８における気密性を高めることができ、圧力センサ室３３Ｂ内のインクへの気体の侵入を確実に防止し、高い脱気度を維持させることができる。

なお、上記実施形態では、液体検出装置３０を、記録装置のインクカートリッジ１に適用した場合を例にとって説明したが、この液体検出装置３０は、記録装置のインクカートリッジ１に限らず、記録装置以外の捺染装置やマイクロディスペンサにも適用でき、また、これら装置における液体の流路等に直接設けても良い。
また、上記液体検出装置３０では、圧縮バネ５０からなる付勢手段によって圧電センサ３４を圧力センサ室３３の底面３３Ｃへ向かって付勢したが、付勢手段としては、圧縮バネ５０に限らず、例えば、圧電センサ３４を圧力センサ室３３の底面３３Ｃ側へ引き寄せる引っ張りバネでも良い。

本発明の液体検出装置を備えた液体収容容器の実施形態を示す断面図である。 液体検出装置の構造を示す断面図である。 (イ)は圧電素子へ供給する信号、（ロ）はインク量が十分あるときの圧電素子の出力信号、（ハ）はインク量が減少したときの圧電素子の出力信号を示す図である。 インク量が十分あるときの液体検出装置の状態を示す断面図である。 インク量が減少したときの液体検出装置の状態を示す断面図である。 圧力センサ室のインク量と振動板の振幅との関係を示す図である。

符号の説明

１…インクカートリッジ（液体収容容器）、２…液体収容部、５…液体供給口、１１Ａ…液体流入口、１１Ｂ…液体流出口、３０…液体検出装置、３３Ｂ…圧力センサ室、３３Ｃ…底面（壁面）、３４…圧電センサ、４１…キャビティ、４３…振動板、４４…圧電素子、４８…ダイヤフラム、５０…圧縮バネ（付勢手段）。

Claims (4)

1. 液体を貯蔵した液体収容部に連通する液体流入口及び液体の供給先に連通する液体流出口を備えた圧力センサ室と、
   前記圧力センサ室と連通するキャビティが形成されたセンサ本体と、該キャビティの一面を構成する振動板と、当該振動板に取り付けられて前記圧力センサ室内の液体に振動を印加するとともに当該振動に伴う前記振動板の自由振動の状態に応じた信号を出力する圧電素子とを有する圧電センサと、
   前記圧電センサを前記圧力センサ室内の液量に応じて変位可能に支持し、前記圧電センサとともに前記圧力センサ室の一部を形成し可撓性を有するダイヤフラムと、
   前記圧力センサ室を形成する壁面に向かって前記圧電センサを付勢する付勢手段とを備え、
   前記圧力センサ室内の液量の減少に伴い、前記付勢手段の付勢力により前記圧電センサが前記壁面に当接され、前記キャビティが閉ざされることを特徴とする液体検出装置。
2. 請求項１に記載の液体検出装置であって、
   前記付勢手段は、前記圧力センサ室内に流入する液体の液圧よりも弱い付勢力を有することを特徴とする液体検出装置。
3. 請求項１または２に記載の液体検出装置であって、
   前記ダイヤフラムは、アルミニウムをラミネートしたアルミラミネートフィルムから形成されていることを特徴とする液体検出装置。
4. 加圧手段に加圧されて液体を送り出す液体収容部と、前記液体収容部に連通し、外部に液体を供給する液体供給口とを備え、前記液体収容部と前記液体供給口との間に、請求項１から３の何れか一項に記載の液体検出装置が設けられたことを特徴とする液体収容容器。

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