JP4677886B2 - 液体検出装置及びそれを備えた液体収容容器 - Google Patents

液体検出装置及びそれを備えた液体収容容器 Download PDF

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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にて、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、液体を貯蔵した外部の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、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振動に伴う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、弾性材料から形成され、前記圧力センサ室において前記キャビティと対向する位置に配置された振動吸収部材とを備え、前記圧力センサ室内の液量に応じて前記圧電センサと前記振動吸収部材とが近接離間方向へ相対的に変位可能とされてい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状態を確実に検出することができる。
特に、圧力センサ室内の液量に応じて圧電センサと振動吸収部材とを近接離間方向へ相対的に変位可能としたので、圧力センサ室内の液量の変化に対応させて圧電素子の出力波形を振動吸収部材による振動吸収効果によって大きく変化させることができ、圧力センサ室内における液体の状態を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、前記圧力センサ室内の液量の減少に伴い、前記圧電センサに前記振動吸収部材が当接した際の前記圧電素子からの出力信号に基づいて前記圧力センサ室内の液量が減少したことを検出することが好ましい。
つまり、圧電センサに振動吸収部材が当接することにより、液体の振動を振動吸収部材によって確実に吸収させることができ、圧力センサ室内の液量の減少状態を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、前記圧力センサ室内の液量の減少に伴い、前記圧電センサに前記振動吸収部材が近接した際の前記圧電素子からの出力信号に基づいて前記圧力センサ室内の液量が減少したことを検出しても良い。
つまり、圧電センサに振動吸収部材が近接することにより、液体の振動を振動吸収部材によって確実に吸収させることができ、圧力センサ室内の液量の減少状態を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、前記振動吸収部材は、前記圧力センサ室の一部を形成する可撓性を有するフィルムに支持され、前記圧力センサ室内の液量によって前記フィルムが変形することにより、前記振動吸収部材が前記圧電センサに対して近接離間方向へ変位されることが望ましい。
これにより、圧力センサ室内の液量の変化に応じて変形するフィルムによって振動吸収部材を圧電センサに対して近接離間方向へ良好に変位させることができ、圧力センサ室内の液体の状態を確実に検出することができる。
また、本発明の液体収容容器は、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状態を、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状態を確実に検出することができる。
特に、圧力センサ室内の液量に応じて圧電センサと振動吸収部材とを近接離間方向へ相対的に変位可能としたので、圧力センサ室内の液量の変化に対応させて圧電素子の出力波形を振動吸収部材による振動吸収効果によって大きく変化させることができ、圧力センサ室内における液体の状態(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する液体供給口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、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、その上面33A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接着フィルム48により被覆されて一体に固着されている。
接着フィルム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、接着フィルム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。
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。
また、液体検出室33内には、液密性及び可撓性を有する樹脂フィルムからなる支持フィルム(フィルム)50が配設されている。この支持フィルム50は、凹状に形成されており、その周縁は、液体検出室33を形成する内周壁33Bにおける開口31,32よりも下方位置に液密的に固着されている。
このように、支持フィルム50を設けることにより、圧電センサ34が設けられた液体検出室33の上面33A、液体検出室33の内周壁33Bの上端側の一部及び支持フィルム50によって囲われた圧力センサ室33Cが形成されている。
そして、この圧力センサ室33C内には、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、この圧力センサ室33C内に流入したインクは、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。
また、支持フィルム50には、その底面部分に、板状に形成された振動吸収部材51が設けられている。これにより、振動吸収部材51は、支持フィルム50が変形することにより、圧電センサ34に対して近接離間方向へ変位可能とされている。この振動吸収部材51は、振動吸収性に優れた弾性材料から形成されたもので、例えば、ゴム、スポンジあるいはムンクス(MNCS:Micro Network Controlled Structure)が適用可能である。ムンクスは、耐インク性を備えており、振動吸収部材51として好ましい。この振動吸収部材51は、その上面が圧電センサ34のユニットベース47に形成された流路47Aを覆う大きさとされている。
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ことにより、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、図4に示すように、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33C内に流れ込み、圧力センサ室33C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33C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33C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33C内に充填されたインクによって決まる、図3(ロ)に示すような比較的低い周波数にて自由振動する。
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33Cにはインクが流入しなくなる。このため、圧力センサ室33C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33C内のインクの減少が所定量以下に低下して負圧になると、圧力センサ室33C内の体積の減少に伴い、支持フィルム50が次第にしぼむ。これにより、この支持フィルム50の底面部分に配置された振動吸収部材51が圧力センサ室33C内のインクの減少に追従して引き上げられて圧電センサ34へ引き寄せられる。そして、この振動吸収部材51が圧電センサ34に到達すると、図5に示すように、振動吸収部材51が圧電センサ34の底部に押圧され、センサキャビティ41及び流路46A,47Aが圧力センサ室33C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。
ところで、圧電センサ34の振動板43は、圧力センサ室33Cと遮断されたセンサキャビティ41及び流路46A,47A内のインクによって決まるが、圧電センサ34の底部には、振動吸収性に優れた弾性材料からなる振動吸収部材51が当接されているため、振動吸収部材51の振動吸収効果によってインクに伝達された振動が吸収される。これにより、振動板43では、自由振動がほとんど生じず、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33Cにおけるインクの液量と圧電センサ34に対する振動吸収部材51の距離との関係を示すグラフである。
図6に示すように、圧力センサ室33C内のインク量がかなり減少するまでは、図6におけるFの領域で示すように、圧電センサ34に対する振動吸収部材51の距離の変化が小さく、この領域Fでは、圧電素子44からの出力信号は、比較的大きな波形のままとなる。
また、圧力センサ室33C内のインクがさらに減少して負圧となると、図6におけるQの領域で示すように、振動吸収部材51が、その後のインクの減少に追従して圧電センサ34側へ大きく移動し、振動吸収部材51による振動の吸収効果により、圧電素子44からの出力信号の波形が急激に消される。
そして、図6におけるEで示すように、圧力センサ室33C内のインクがほぼ無くなると、振動吸収部材51が圧電センサ34の底部に密着し、センサキャビティ41及び流路46A,47Aが振動吸収部材51によって閉鎖され、この閉鎖された空間内のインクの振動が振動吸収部材51によってほとんど吸収され、圧電素子44からの出力信号の波形がほぼ消される。
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の自由振動の周波数の変動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(振幅の有無等)、または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33C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。
特に、圧力センサ室33C内のインク量に応じて圧電センサ34と振動吸収部材51とを近接離間方向へ相対的に変位可能としたので、圧力センサ室内33Cのインク量の変化に対応させて圧電素子44の出力波形を振動吸収部材による振動吸収効果によって大きく変化させることができ、圧力センサ室33C内における液体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。
しかも、圧力センサ室33C内のインク量の減少に伴い、圧電センサ34に振動吸収部材51が当接した際の圧電素子44からの出力信号に基づいて圧力センサ室33C内のインク量が減少したことを検出するので、液体の振動を振動吸収部材51によって確実に吸収させることができ、圧力センサ室33C内のインク量の減少状態を確実に検出することができる。
また、振動吸収部材51を、圧力センサ室33Cの一部を形成する可撓性を有する支持フィルム50に支持し、圧力センサ室33C内のインク量によって支持フィルム50が変形することにより、振動吸収部材51が圧電センサ34に対して近接離間方向へ変位する構造としたので、圧力センサ室33C内のインク量の変化に応じて変形する支持フィルム50によって振動吸収部材51を圧電センサ34に対して近接離間方向へ良好に変位させることができ、圧力センサ室33C内の液体の状態を確実に検出することができる。
なお、上記液体検出装置30では、圧電センサ34に振動吸収部材51が当接した際の圧電素子44からの出力信号に基づいて圧力センサ室33C内のインク量が減少したことを検出したが、圧力センサ室33C内の液量の減少に伴い、圧電センサ34に振動吸収部材51が近接した際の圧電素子44からの出力信号に基づいて圧力センサ室33C内の液量が減少したことを検出しても良い。
このようにすれば、圧電センサ34に振動吸収部材51が近接することにより、液体の振動を振動吸収部材51によって確実に吸収させることができ、圧力センサ室33C内の液量の減少状態を確実に検出することができる。
具体的には、圧力センサ室33C内の液量の減少に伴い、圧電センサ34に振動吸収部材51が急激に近接する領域(図6における領域Q)内の所定の箇所における圧電素子44の出力波形の周波数を閾値とし、この閾値を超えた時点にて、圧力センサ室33C内のインク量が減少したと判断する。
つまり、圧電センサ34と振動吸収部材51との距離を十分に確保することができるスペースがある場合は、圧電センサ34に振動吸収部材51が近接した際の圧電素子44からの出力信号に基づいて圧力センサ室33C内の液量が減少したことを迅速に確実に検出することができる。
これに対して、圧電センサ34と振動吸収部材51との距離をあまり確保することができない場合は、圧電センサ34に振動吸収部材51が当接した際の圧電素子44からの出力信号に基づいて圧力センサ室33C内の液量が減少したことを検出するのが望ましい。
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、上記実施形態では、板状に形成した振動吸収部材51を用いたが、この振動吸収部材51としては、フィルム状のものでも適用可能である。
また、上記実施形態では、圧力センサ室33C内のインク量の減少に伴う支持フィルム50の変形により振動吸収部材51を変位させたが、圧力センサ室33C内の液圧よりも弱い付勢力を有するバネなどの付勢手段によって振動吸収部材51を圧電センサ34側へ付勢しておくことにより、圧力センサ室33C内のインク量の減少時における振動吸収部材51の変位をより確実にすることができる。
なお、液体検出装置は、上記実施形態の構成より簡略な構成とすることができる。例えば、図2,図4,図5で示した流路46A,47Aを省いて、図7に示す液体検出装置30Aのように、センサキャビティ41が直接、圧力センサ室33Cに面している構成としても良い。この構成にした場合、流路46A,47Aがある場合と比較して、センサキャビティ41内へのインク充填が容易になる。
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圧電センサに対する振動吸収部材の距離との関係を示す図である。 液体検出装置の他の構造を示す断面図である。
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、30,30A…液体検出装置、33C…圧力センサ室、34…圧電センサ、41…センサキャビティ、43…振動板、44…圧電素子、50…支持フィルム(フィルム)、51…振動吸収部材。

Claims (5)

  1. 液体を貯蔵した外部の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、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振動に伴う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
    弾性材料から形成され、前記圧力センサ室において前記キャビティと対向する位置に配置された振動吸収部材とを備え、
    前記圧力センサ室内の液量に応じて前記圧電センサと前記振動吸収部材とが近接離間方向へ相対的に変位可能とされてい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、
    前記圧力センサ室内の液量の減少に伴い、前記圧電センサに前記振動吸収部材が当接した際の前記圧電素子からの出力信号に基づいて前記圧力センサ室内の液量が減少したことを検出することを特徴とする液体検出装置。
  3. 請求項1に記載の液体検出装置であって、
    前記圧力センサ室内の液量の減少に伴い、前記圧電センサに前記振動吸収部材が近接した際の前記圧電素子からの出力信号に基づいて前記圧力センサ室内の液量が減少したことを検出することを特徴とする液体検出装置。
  4. 請求項1から3の何れか一項に記載の液体検出装置であって、
    前記振動吸収部材は、前記圧力センサ室の一部を形成する可撓性を有するフィルムに支持され、前記圧力センサ室内の液量によって前記フィルムが変形することにより、前記振動吸収部材が前記圧電センサに対して近接離間方向へ変位されることを特徴とする液体検出装置。
  5. 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4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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