JP4677906B2 - 液体収容容器の液体残量検出装置、液体収容容器及び液体消費装置 - Google Patents

Description

本発明は、液体収容容器の液体残量検出装置、液体収容容器及び液体消費装置、特にインクジェット式記録装置等の液体噴射装置に適用される液体収容容器の液体残量検出装置、液体収容容器及び液体消費装置に関する。

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）。
また、他の例として、液体収容容器の可撓性インクパックに該インクパックを挟むように圧電センサと受圧板を取り付け、前記圧電センサに充放電波形信号を印加し、そのときの振動振幅を検出してインクパック内のインク残量を検出するものも提案されている（特許文献２）。

特開２００４−３０６６０４号特許公報 特開２００４−１３６６７０号特許公報

上記の特許文献１に開示される検出機構は、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検出することはできるが、機械的なスイッチ機構が複雑となり、形状が大きくなるだけでなく、故障も起き易く、それがインク消尽によるものかセンサの故障によるものか、判別するのが難しかった。したがって簡単な手段で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提案されているが、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い。

特許文献２の液体収容容器のインクパックに直接圧電式センサ手段を取り付ける構造は、インクパックの可撓性によってインクパックの変形が必ずしも一様でなく、インク残量の減少に圧電センサの出力が正確に追従しないという難点がある。

本発明は、上記の問題を解決すべく、液体収容部に接続される液体検出室にダイヤフラムと圧電素子を設け、このダイヤフラムによる液体検出室の正確な容積変化、およびこれに伴う圧電素子の振動波の変化（振幅、周波数）から液体の実際の残り量および液体の消尽を検出するようにした液体収容容器の液体残量検出装置、液体収容容器及び液体消費装置を提供することを目的とする。

本発明の上記目的は、以下の（１）、（２）、（３）により達成される。
（１） 液体収容容器の液体収容部に連通する液体流入口及び外部の液体消費装置に前記液体を供給するための液体流出口を備えたセンサ室を有する液体残量検出装置であって、
前記センサ室内の液体収容量に応動して移動可能なダイヤフラムと、
前記ダイヤフラムに取り付けられた受圧板と、
前記センサ室に固着されて前記受圧板と対向し、小孔状の流路が形成された支持ベースと、
前記センサ室内の液体に振動を印加する振動板と、前記流路を通して前記センサ室に連通する凹部とを有し、前記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備え、
前記ダイアフラムと、前記支持ベースと、前記圧電素子は前記センサ室の一部を構成し、
前記センサ室の液体収容量が所定量以下になったときに前記流路は前記受圧板で閉塞されることを特徴とする液体残量検出装置。
（２） 前記液体残量検出装置と、前記液体収容部と、前記液体流出口に連通する液体供給口とを備えた液体収容容器。
（３） 前記液体収容容器と、
前記圧電素子により出力された信号の振幅値又は周波数を検出する検出部と、
前記検出部で検出した振幅値または周波数に基づいて、前記液体収容容器内の液体残量を算出する算出部と、
を備えた液体消費装置。
上記（１）、（２）（３）の構成によれば、圧電振動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あるいは周波数を検出し、この振幅あるいは周波数からセンサ室内の液体残量を算出部によって具体的に算出するようにしたので、液体切れに至るまでの実際の残り量を知ることができる。

さらに、所定の圧力で前記ダイヤフラムが変位するように取り付けられた圧力調整バネを有することが望ましい。
これにより、圧電振動素子の支持ベースから受圧板までの（あるいは、圧電振動素子の支持ベースからセンサ室の底部内面までの）距離と残留振動波形の振幅との関係を示す特性曲線は、圧力調整バネの付勢力を変えることによりその特性を変えることができるので、所望の特性曲線を得ることができる。

また、前記ダイヤフラムは、可撓性のあるフィルムであることが望ましい。
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、センサ室内の液体への気体の侵入を防止し、高い脱気度を維持させることができる。

また、前記ダイヤフラムは、アルミニウムをラミネートした薄板材であることが望ましい。
これにより、より確実に気密性を高めることができ、センサ室内の液体への気体の侵入を防止し、高い脱気度を維持させることができる。

また、前記液体は、インクであることにより、インクジェット式記録装置等の液体噴射装置に適用することができる。

本発明によれば、圧電振動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あるいは周波数を検出し、この振幅あるいは周波数からセンサ室内の液体残量を算出部によって具体的に算出するようにしたので、インク切れに至るまでの実際の残り量を知ることができる。特に本発明では可撓性を有するダイヤフラムによって圧電振動素子あるいは圧電振動素子と協働する受圧板を支持するので、液体の減少によるセンサ室の容積変化も正確に追従し、少ない部品数で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、センサ室内における液体（インク）の残量あるいは有無を確実に検知できる。

以下、本発明に係る液体残量検出装置およびこ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、以下の実施形態では、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示して説明する。
図１は、本発明の液体残量検出装置を備えた液体収容容器の一例を示す断面図である。図１に示すように、インクカートリッジ（液体収容容器）１は、前記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のケース２０とを合体させたカートリッジケースを有する。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（矢印Ａ方向）に加圧される。

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。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。

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、前記記録装置と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される。また、液体供給部５と液体収容部２とは、液体流入口１１Ａおよび液体流出口１１Ｂにより連通されており、これら液体流入口１１Ａおよび液体流出口１１Ｂの途中に本発明に係る液体残量検出装置３０が設けられている。

また、液体収容部２の構成としては、図１に示すような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等の可撓性を有する樹脂フィルムの相互の周縁部を貼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ケース内に収容したものでもよく、図３にその一例の断面図を示す。

図２は、本発明の液体残量検出装置を備えた液体収容容器の他の一例を示す断面図である。図２に示す液体収容容器１Ａは、図示しない加圧手段によって加圧される加圧室４Ａ内に、この加圧室４Ａの加圧によって貯留しているインクを排出するインクパック（液体収容部）２Ａを備えているものである。加圧方法としては、加圧室４Ａの壁面の一部に設けられた加圧口１３から加圧流体（加圧空気）を送給することにより加圧が行われる。
なお、他の構成は図１に示した液体収容容器１と同様の構成であるので、同符号を付して詳細な説明を省略する。

図３は、図１又は図２に示す液体残量検出装置３０の第１の実施形態の液体残量検出装置３０Ａにおける構造を示す拡大断面図である。前記記録装置に接続された状態で、底部となる領域には液体収容部２（２Ａ）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、ダイヤフラム４８で上部が画成された液体検出室（センサ室）３３を備えている。

ダイヤフラム４８は、この実施形態では、可撓性のあるフィルム状の部材で構成され、中央に開口を有し、また外周部がセンサ室３３の内周壁にセンサ室底部から所定高さ位置で液密状態に固着されている。ダイヤフラム４８の中央開口には圧電振動素子４４の支持ベース４５の外周部が同様に液密状態に固着されている。

圧電振動素子４４は支持ベース４５の上面に固着され、また、支持ベース４５の下面はセンサ室３３の底部内面３３Ａと平行に形成され、さらに一対の小孔状の流路４６，４７が該センサ室３３から圧電振動素子４４の振動板に達するように貫通して形成されている。
小孔状の各流路４６，４７は、圧電振動素子４４の振動板と支持ベース４５との間に形成された凹部（キャビティ）４１に連通している。この構成により、センサ室３３内の液体は流路４６，４７を通して凹部４１内に流入し、したがって圧電振動素子４４の振動板は凹部４１内の液体と接している。

センサ室３３の外側には、ダイヤフラム４８の上部に接する圧力調整バネ５０（圧力調整手段）が設けられ、これによってセンサ室３３が所定の空間を有するようにダイヤフラム４８をセンサ室３３の外側から安定に支えている。

センサ室３３の液体流出口１１Ｂにつながるインク消費装置の使用が進み、液体収容部２の液体の量、したがってセンサ室３３内の液体の量が少なくなるにつれて、センサ室３３内の液体圧が減少し、ダイヤフラム４８が徐々に下方へ偏倚していき、最終的には支持ベース４５の下面がセンサ室３３の底部内面３３Ａに接触する。この状態では、支持ベース４５の小孔状の流路４６，４７はセンサ室３３の底部内面３３Ａで閉塞され、したがって凹部４１は密閉状態となる。

液体収容部２（２Ａ）の加圧領域４（加圧室４Ａ）を加圧している状態で、圧電振動素子４４に図５（イ）に示すような駆動信号を供給すると、圧電振動素子４４がアクチュエータとして所定時間励起され、振動板が自由振動を開始する。この振動板の自由振動によって圧電振動素子４４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。なお、支持ベース４５が底部内面３３Ａに接して凹部４１が閉塞されたときには、凹部４１内の液体は殆ど振動せず、圧電振動素子４４からの出力信号は変動波形のない直線状の信号となる。

図４は、図１又は図２に示す液体残量検出装置３０の第２の実施形態の液体残量検出装置３０Ｂにおける構造を示す拡大断面図である。この第２の実施形態においても、液体残量検出装置３０Ｂは、記録装置に接続された状態で、その底部となる領域に液体収容部２（２Ａ）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（センサ室）３３を備えている。

ダイヤフラム４８は、この第２の実施形態では、可撓性のあるフィルム状の部材で構成され、その外周部がセンサ室３３の内周壁にセンサ室底部から所定高さ位置で液密状態に固着されている。ダイヤフラム４８の中央内側には受圧板５１が液密状態に固着されている。

圧電振動素子４４の支持ベース４５はセンサ室３３の底部内面３３Ａに液密状態に固着され、その下面に圧電振動素子４４が設けられている。支持ベース４５の上面は受圧板５１の下面に対して平行に形成され、さらに、第１の実施形態と同様に一対の小孔状の流路４６，４７が該センサ室３３から圧電振動素子４４の振動板の位置まで貫通して形成されている。

この小孔状の各流路４６，４７は、圧電振動素子４４の振動板と支持ベース４５との間に形成された凹部４１（キャビティ）に連通している。この構成により、センサ室３３内の液体は小孔状の流路４６，４７を通して凹部４１内に流入し、したがって圧電振動素子４４の振動板は凹部４１内の液体と接している。

センサ室３３の外側には、ダイヤフラム４８の上部に接する圧力調整バネ５０（圧力調整手段）が設けられ、これによってセンサ室３３が所定の空間を有するようにダイヤフラム４８をセンサ室３３の外側から安定に支えている。

センサ室３３の液体供給口５につながるインク消費装置（記録装置等）の稼働が進み、液体収容部２（２Ａ）の液体の量が少なくなると、図６に示すようにセンサ室３３内の圧力が減少し、これによってダイヤフラム４８が徐々に下方へ偏倚し、最終的には受圧板５１の下面がセンサ室３３の圧電振動素子４４の支持ベース４５上面に接触する。この状態では、支持ベース４５の小孔状の流路４６，４７は受圧板５１で閉塞され、したがって振動板の凹部４１は密閉状態となる。

液体収容部２（２Ａ）の加圧領域４（加圧室４Ａ）を加圧している状態で、圧電振動素子に第１の実施形態で説明したような駆動信号を供給すると、圧電振動素子４４がアクチュエータとして所定時間励起され、振動板が自由振動（残留振動）を開始する。この振動板の自由振動によって圧電振動素子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。

ここで振動板による振動の様子をさらに説明すれば、圧電振動素子４４の振動板は、センサ室３３の液体が振動板支持ベース４５の小孔状の流路４６，４７を通って振動板に作用し、この液体と共に振動板は前述した図５（ロ）に示すような比較的大きい振幅で自由振動する。また、圧電振動素子４４に対向する受圧板５１は、その周囲が可撓性を有するダイヤフラム４８によってセンサ室３３の内周壁に支持されているので、振動板によってもたらされる自由振動が増幅され、これによって圧電振動素子４４における逆起電力が増幅される。

前述のように、記録装置におけるインクの消費が進んで液体収容部２（２Ａ）のインク（液体）が少なくなり、それが所定量以下になると、ダイヤフラム４８に支持された受圧板５１も液体の減少に追従して下方へ移動する。この圧電振動素子４４の支持ベース４５から受圧板５１までの距離Ｌと、振動板の振動の振幅あるいは周波数との間には一定の相関関係がある。

ここで、振動板の振幅について検討してみる。図７は、第２の実施形態の液体残量検出装置３０Ｂのセンサ室３３における支持ベース４５と受圧板５１との間の距離Ｌと、残留振動波形の振幅との関係を示すグラフである。液体収容部２（２Ａ）に液体が充満され、センサ室３３内の前記距離Ｌが大きいＦの領域では、振動板の自由振動の残留振動波形は比較的大きい振幅となる。また、センサ室３３内の高さ、即ち前記距離Ｌの値が低くなると、残留振動波形の振幅が小さくなる。なお、この距離Ｌは、第１の実施形態における液体残量検出装置３０Ａにおいては、圧電振動素子４４の支持ベース４５からセンサ室３３の底部内面３３Ａまでの距離である。
そして、図７に示す距離Ｌと残留振動波形の振幅との特性曲線は、圧力調整バネ５０の付勢力を変えることにより、その曲線を変えることができる。よって、所望の特性曲線を得ることができる。

液体収容部２（２Ａ）内のインク残量が少なくなった状態では、センサ室３３内の高さ（距離Ｌ）と液体収容部２（２Ａ）の容積、即ち該収容部内のインク残量との間には一定の相関関係があり、圧電素子により検出された自由振動状態による逆起電力の残留振動波形の振幅を液体残量検出装置３０（３０Ａ，３０Ｂ）に備わった検出部で検出し、この検出部で検出した残留振動波形の振幅から液体収容部２（２Ａ）内の残留インクの量を液体残量検出装置３０（３０Ａ，３０Ｂ）に備わった算出部で算出することができる。図８はこの算出部で得られた液体収容部２（２Ａ）内のインク残量と残留振動波形の振幅との関係を示したグラフである。

なお、液体収容容器１（１Ａ）と記録装置とが電気的に接続可能に構成されていれば、検出部及び算出部またはそのどちらか一方は、液体収容容器１（１Ａ）内に設けられたものでなく、記録装置内に設けられたものであってもよい。記録装置内に算出部が設けられている場合は、液体収容量の異なるタイプの液体収容容器１（１Ａ）毎に異なる算出パラメータ（距離Ｌとインク残量との対応関係のパラメータ）を算出部内に備えているものであってもよい。

図８のグラフからも明らかなように、液体収容部２（２Ａ）のインク残量が少なくなると、或る時点から急激に残留振動波形の振幅が減少し、この振幅値によってあとどれぐらいのインク残量が液体収容部２（２Ａ）内にあるかを判断でき、最後にダイヤフラム４８に保持された受圧板５１が圧電振動素子４４の支持ベース４５の上面に接触した後は、振動板の自由振動は、支持ベース４５の小孔状の流路４６，４７に連通する凹部４１内のインクが殆ど振動せず、極めて小さい振幅となるので、液体収容部２（２Ａ）のインク消尽が判明する。

上述の各実施形態は、圧電振動素子による残留振動波形の振幅から液体収容部内のインク残量を検出する例であるが、振幅だけでなく、残留振動の周波数の検出によっても同様に液体収容部内のインク残量あるいはインク消尽を知ることができる。

以上のように、本発明では、圧電振動素子の振動板の自由振動による残留振動波形の振幅を検出する検出部と、この検出部で検出した残留振動波形の振幅値に基づいて液体収容部内の液体残量を算出する算出部を有しているので、液体収容部内のインク、いいかえれば、記録装置のインク収容容器内のインク残量がどのぐらいあるか、また、インクが消尽してインク切れとなっているかどうかを識別することができる。
この液体残量の検出は、本発明では、液体収容部のインクパックに圧電センサや受圧板を取り付けて検出するのではなく、ダイヤフラムで画成されたセンサ室に圧電振動素子を設け、このセンサ室において振動波形の変化（振幅、周波数）を検出するので、センサ室の変位が正確であり、精度のよい液体残量検出ができ、また少ない部品数で、しかも振動板の自由振動を大きなレベルに増幅して確実に検出することができる。

本発明の液体残量検出装置を備えた液体収容容器の一例を示す断面図である。 本発明の液体残量検出装置を備えた液体収容容器の他の一例を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態における液体残量検出装置の構造を示す拡大断面図である。 本発明の第２の実施形態における液体残量検出装置の構造を示す拡大断面図である。 圧電振動素子に印加する駆動信号、および液体収容部の液体が充分ある状態での圧電振動素子の出力信号を示す図である。 液体収容部のインク残量とセンサ室内の圧力との関係を示す図である。 本発明に係るセンサ室の高さと圧電振動素子による残留振動波形の振幅との関係を示す図である。 液体収容部のインク残量と圧電振動素子による残留振動波形の振幅との関係を示す図である。

符号の説明

１、１Ａ カートリッジ（液体収容容器）
２、２Ａ 液体収容部
３ 可撓性膜体
４ 加圧領域
４Ａ 加圧室
５ 液体供給口
３０、３０Ａ、３０Ｂ 液体検出装置
３３ センサ室
４４ 圧電振動素子
４５ 支持ベース
４６，４７ 流路
４８ ダイヤフラム
５０ 圧力調整バネ
５１ 受圧板

Claims (7)

1. 液体収容容器の液体収容部に連通する液体流入口及び外部の液体消費装置に前記液体を供給するための液体流出口を備えたセンサ室を有する液体残量検出装置であって、
   前記センサ室内の液体収容量に応動して移動可能なダイヤフラムと、
   前記ダイヤフラムに取り付けられた受圧板と、
   前記センサ室に固着されて前記受圧板と対向し、小孔状の流路が形成された支持ベースと、
   前記センサ室内の液体に振動を印加する振動板と、前記流路を通して前記センサ室に連通する凹部とを有し、前記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備え、
   前記ダイアフラムと、前記支持ベースと、前記圧電素子は前記センサ室の一部を構成し、
   前記センサ室の液体収容量が所定量以下になったときに前記流路は前記受圧板で閉塞されることを特徴とする液体残量検出装置。
2. 所定の圧力で前記ダイヤフラムが変位するように取り付けられた圧力調整手段を有することを特徴とする請求項１に記載の液体残量検出装置。
3. 前記ダイヤフラムは、可撓性のあるフィルムであることを特徴とする請求項１または２に記載の液体残量検出装置。
4. 前記ダイヤフラムは、アルミニウムをラミネートした薄板材であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の液体残量検出装置。
5. 前記液体は、インクであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の液体残量検出装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の液体残量検出装置と、前記液体収容部と、前記液体流出口に連通する液体供給口とを備えた液体収容容器。
7. 請求項６に記載の液体収容容器と、
   前記圧電素子より出力された信号の振幅値又は周波数を検出する検出部と、
   前記検出部で検出した振幅値または周波数に基づいて、前記液体収容容器内の液体残量を算出する算出部と、
   を備えた液体消費装置。

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