JP5109782B2 - 流体粘度測定システム、印字ヘッド及び流体粘度測定プログラム - Google Patents

Description

本発明は、流体粘度測定システム、印字ヘッド及び流体粘度測定プログラムに関する。

インクジェットヘッド（液滴吐出ヘッド）は、インク粘度（流体の粘度）の変化で吐出特性が変化し、画質に影響を与える。例えば、吐出ノズル先端からの水蒸気による増粘対策として、ダミージェットや吸引などのメンテナンスを行っているが、このメンテナンスは安全係数を見込んだ時間間隔で頻繁に実行している。

一方、画像形成処理によって形成した画像中にドット抜け（画素の欠損）があるかどうかを検出し、ドット抜けが検出された場合、その吐出異常の原因を特定し、その原因に応じた適切な回復処理を実行する構成が提案されている（特許文献１参照）。
特開２００４−２７６２７４号公報

本発明は、流体を無駄にすることなく、吐出ノズルに充填された流体の粘度を測定することができる流体粘度測定システム、印字ヘッド及び流体粘度測定プログラムを得ることが目的である。

請求項１に記載の発明は、圧電素子、前記圧電素子に面接触された振動板、前記圧電素子に所定の周波数を持つ電圧を印加して前記振動板を振動させる振動発生手段を備え、一部の壁面が前記振動板で構成され、他の一部に吐出ノズルが設けられた空間室内に圧力を加えて当該空間室内に充填された流体を前記吐出ノズルから吐出させる流体吐出モジュールと、前記流体吐出モジュールを動作させて周波数に対する電圧と電流との位相差との関係を示す特性の実測値データを得る実測値取得手段と、少なくとも前記空間室内の流体の粘度ηを、音響抵抗ｒ、前記空間室内の流路の最小断面径Ｄ１、最大断面径Ｄ２、及び流路の長さｌｅをパラメータとする音響工学に基づく音響系方程式にあてはめて求める際、前記流体吐出モジュールにおける流体吐出動作を、レジスタンスＲ、リアクタンスＬ、キャパシタンスＣを用いた等価回路として表現することで、前記レジスタンスＲ、前記リアクタンスＬ、前記キャパシタンスＣ、周波数ｆ、及び電圧と電流との位相差θの相関関係に基づいた演算式で位相差θを求めると共に、前記実測値取得手段が取得した前記実測値データに基づく電圧と電流との位相差と、前記演算式で求めた位相差θとの差の２乗和の総和が所定のしきい値以下になるまで前記位相差θを求める演算式の補正を繰り返し、前記２乗和の総和が所定のしきい値以下になるまで前記補正がされた演算式に基づいて前記等価回路における前記位相差θがピーク値となる前記周波数ｆの下でのレジスタンスＲを求め、この前記等価回路上のレジスタンスＲを、前記音響抵抗ｒに代入して、前記音響系方程式から流体粘度ηを演算する流体粘度演算手段と、を有する流体粘度測定システムである。

請求項２に記載の発明は、前記請求項１に記載の発明において、前記音響系方程式が、以下の（１）式で表される。

請求項３に記載の発明は、前記請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記位相差θが前記ピーク値となる前記周波数ｆを、予め設定した固定値とする。

請求項４に記載の発明は、前記請求項１〜請求項３の何れか１項記載の発明において、前記吐出ノズルを閉塞する閉塞手段をさらに有し、前記流体粘度測定手段における演算のための要素の内、前記吐出ノズルから流体が吐出することによって発生する前記要素を排除する。

請求項５に記載の発明は、前記請求項１〜請求項４の何れか１項記載の発明において、前記流体粘度演算手段で得られた粘度情報を報知する。

請求項６に記載の発明は、前記請求項１〜請求項５の何れか１項記載の流体粘度測定システムを搭載した印字ヘッドである。

請求項７に記載の発明は、圧電素子、前記圧電素子に面接触された振動板、前記圧電素子に所定の周波数を持つ電圧を印加して前記振動板を振動させる振動発生手段を備え、一部の壁面が前記振動板で構成され、他の一部に吐出ノズルが設けられた空間室内に圧力を加えて当該空間室内に充填された流体を前記吐出ノズルから吐出させる流体吐出モジュールでの流体の粘度を測定する場合に、少なくとも前記空間室内の流体の粘度ηを、音響抵抗ｒ、前記空間室内の流路の最小断面径Ｄ１、最大断面径Ｄ２、及び流路の長さｌｅをパラメータとする音響工学に基づく音響系方程式にあてはめて求める際、前記流体吐出モジュールにおける流体吐出動作を、レジスタンスＲ、リアクタンスＬ、キャパシタンスＣを用いた等価回路として表現し、前記レジスタンスＲ、前記リアクタンスＬ、前記キャパシタンスＣ、周波数ｆ、及び電圧と電流との位相差θの相関関係に基づいた演算式で位相差θを求め、前記流体吐出モジュールを動作させて得た周波数に対する電圧と電流との位相差との関係を示す特性の実測値データに基づく電圧と電流との位相差と、前記演算式で求めた位相差θとの差の２乗和の総和が所定のしきい値以下になるまで前記位相差θを求める演算式の補正を繰り返し、前記２乗和の総和が所定のしきい値以下になるまで前記補正がされた演算式に基づいて前記等価回路における前記位相差θがピーク値となる前記周波数ｆの下でのレジスタンスＲを求め、この前記等価回路上のレジスタンスＲを、前記音響抵抗ｒに代入して、前記音響系方程式から流体粘度ηを演算することをコンピュータに実行させる流体粘度測定プログラムである。

請求項８に記載の発明は、前記請求項７に記載の発明において、前記音響系方程式が、以下の（１）式で表される。

請求項１に記載の発明によれば、流体を無駄にすることなく、吐出ノズルに充填された流体の粘度を測定することができるという効果を有する。

請求項２によれば、本構成を有しない場合に比べて、演算が容易となる。

請求項３に記載の発明によれば、本構成を有しない場合に比べて、測定される粘度値の精度が高くなる。

請求項４に記載の発明によれば、本構成を有しない場合に比べて、演算が簡便となる。

請求項５に記載の発明によれば、粘度の変化を迅速に認識することができる。

請求項６に記載の発明によれば、流体を無駄にすることなく、吐出ノズルに充填された流体の粘度を測定することができるという効果を有する。

請求項７〜請求項８に記載の発明によれば、流体を無駄にすることなく、吐出ノズルに充填された流体の粘度を測定することができるという効果を有する。

（第１の実施の形態）
図１には、本実施の形態に係る、インクジェットプリンタに備えられた流体吐出モジュール１２が示されている。

図１に示される如く、流体吐出モジュール１２は、吐出ノズル４０、インクタンク（チャンバ）４１、空間室の流路である供給路４４、圧力室４６、及び圧電素子４８を備えている。なお、流体吐出モジュール１２は、各々液滴を吐出させる複数の吐出ノズル４０が列状又はマトリクス状に配置されており、各吐出ノズル４０からインク液による液滴を吐出して、記録用紙上に画像を記録するものである。

インクタンク４１には、図示しないインクカートリッジ（液体貯蔵タンク）から適量のインク液が供給され、一時的に蓄えられる。また、インクタンク４１は、供給路（絞り部分）４４を介して圧力室４６と連通されており、圧力室４６は吐出ノズル４０を介して外部と連通されている。

さらに、圧力室４６の壁面の一部は、振動板４６Ａにより構成されており、当該振動板４６Ａには圧電素子４８が面接触されて取り付けられている。圧電素子４８は、電源電圧発生装置２０によって印加される交流電圧（又は交流と直流が重畳された電圧）の駆動波形に応じて変形して振動板４６Ａに対する圧力を変化（振動）させることにより、圧力室４６に体積変化（収縮又は膨張）を発生させる。

すなわち、圧力室４６の体積変化により発生するインク液の圧力波（振動波）によってインクタンク４１内に蓄えられたインク液が供給路４４及び圧力室４６を介して吐出ノズル４０から吐出されるようになっている。なお、その際、交流電圧発生装置２０によって印加される交流電圧における電流値を電流計２４で測定している。

図２に示されているように、流体吐出モジュール１２は、各圧電素子４８への電圧印加を制御するスイッチＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）（以下、ＳＷ−ＩＣと称する）５０と、前記インク液の粘度を測定するための測定機能を有する検査装置１０を備えている。

ＳＷ−ＩＣ５０は、ＰチャネルＭＯＳ形（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）電界効果トランジスタ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：ＦＥＴ）（以下、ＰＭＯＳＦＥＴと称する）５２と、ＮチャネルＭＯＳ形電界効果トランジスタ（以下、ＮＭＯＳＦＥＴと称する）５４と、インバータ５６と、検査電圧入力端子５８と、電圧出力端子６０と、制御信号入力端子６２と、バックゲート端子６４Ａと、及びバックゲート端子６４Ｂを備えている。

なお、本実施の形態に係るＳＷ−ＩＣ５０では、ＰＭＯＳＦＥＴ５２、ＮＭＯＳＦＥＴ５４、インバータ５６、電圧出力端子６０、及び制御信号入力端子６２は圧電素子４８毎に設けられているが、図２では、１つの圧電素子４８に対応して設けられた部分のみ図示している。

また、ＳＷ−ＩＣ５０では、検査電圧入力端子５８、バックゲート端子６４Ａ、及びバックゲート端子６４Ｂは１つだけ設けられている。

ＰＭＯＳＦＥＴ５２のソース及びＮＭＯＳＦＥＴ５４のドレインは、検査電圧入力端子５８に接続されており、ＰＭＯＳＦＥＴ５２のドレイン及びＮＭＯＳＦＥＴ５４のソースは、電圧出力端子６０を介して対応する圧電素子４８の一方の電極に接続されている。

また、ＰＭＯＳＦＥＴ５２のゲートは、制御信号入力端子６２に直接接続されており、ＮＭＯＳＦＥＴ５４のゲートは、インバータ５６を介して制御信号入力端子６２に接続されている。

さらに、ＰＭＯＳＦＥＴ５２のバックゲートは、バックゲート端子６４Ａに接続されており、ＮＭＯＳＦＥＴ５４のバックゲートは、バックゲート端子６４Ｂを介して接地されている。このバックゲート端子６４Ａには、インクジェットプリンタの図示しない電源装置から所定電圧レベルの電圧が印加されている。

一方、検査装置１０は、交流電圧発生装置２０と、電圧計２２と、電流計２４と、制御部２８と、２つの検査電圧出力端子２６Ａ、２６Ｂと、ディスプレイ２９Ａと、及び操作パネル２９Ｂを備えている。

交流電圧発生装置２０は、一方の端子が検査電圧出力端子２６Ａに接続されており、他方の端子が接地される共に、検査電圧出力端子２６Ｂに接続されている。交流電圧発生装置２０は、制御部２８からの制御により、正弦波形の交流電圧を発生するものとされると共に、発生する交流電圧の周波数を変更する。

電圧計２２は、交流電圧発生装置２０の一方及び他方の両端子にそれぞれ接続されており、当該両端子間の電位差を示す電位差信号を制御部２８へ出力する。

電流計２４は、交流電圧発生装置２０の他方の端子と検査電圧出力端子２６Ｂとを繋ぐ配線２７上に設けられており、配線２７に流れる電流を測定し、測定された電流値を示す電流値信号を制御部２８へ出力する。

図３に示されているように、検査装置１０における制御部２８は、装置全体の動作を司るＣＰＵ（Ｃｅｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ：中央処理装置）３０、ＣＰＵ３０による各種処理プログラムの実行時のワークエリア等として用いられるＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）３１、各種制御プログラム及び各種パラメータ等が予め記憶されたＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）３２、各種情報を記憶するＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）３３、交流電圧発生装置２０による交流電圧の発生動作を制御する電圧発生制御部３４、流体吐出モジュール１２に設けられた複数の吐出ノズル４０から検査対象とする吐出ノズル４０を選択するための制御信号の出力を制御する制御信号出力制御部３５、ディスプレイ２９Ａへの検査結果や操作メニュー又はメッセージなどの各種情報の表示を制御する表示制御部３６、及び操作パネル２９Ｂに対する操作を検出する操作入力検出部３７を備えている。

また、制御部２８には、電圧計２２から出力された電位差信号及び電流計２４から出力された電流値信号が入力される。

ＣＰＵ３０、ＲＡＭ３１、ＲＯＭ３２、ＨＤＤ３３、電圧発生制御部３４、制御信号出力制御部３５、表示制御部３６、及び操作入力検出部３７は、システムバスＢＵＳを介して相互に接続されている。

従って、ＣＰＵ３０は、ＲＡＭ３１、ＲＯＭ３２、及びＨＤＤ３３へのアクセス、電圧発生制御部３４を介した交流電圧発生装置２０による交流電圧の発生の制御、制御信号出力制御部３５からの制御信号の出力の制御、表示制御部３６を介したディスプレイ２９Ａへの操作画面又は各種メッセージ等の各種情報の表示の制御を各々行う。また、ＣＰＵ３０は、操作入力検出部３７により検出された操作情報に基づいて操作パネル２９Ｂに対する操作を把握し、電位差信号及び電流計２４から入力される電位差信号及び電流値信号に基づいて交流電圧発生装置２０の両端子間の電位差及び配線２７に流れる電流値を把握する。

ここで、制御部２８では、前述したように、吐出ノズル４０から吐出されるために圧力室４６等に充填されたインク液の粘度ηを測定するための測定機能を有している。この粘度測定は、予め記憶された粘度測定プログラムに従って実行されるものであり、以下、圧電素子４８（図１参照）に電圧を印加し、その電圧−電流位相差からインクの粘度を測定する際における粘度測定原理を説明する。

図１に示される如く、圧電素子４８に電圧（交流又は直流／交流重畳電圧）を印加すると、圧電素子４８の電気的特性と流体吐出モジュール１２の流路の音響特性からなる等価回路と見立ててアドミタンス・位相差を測定する。

また、インクが吐出ノズル４０表面などで物性変化を起こすとアドミタンス・位相差の測定値に変化が現れ、その数値からインクの粘度変化が検出される。なお、粘度は吐出ノズル４０部分の抵抗値に対応するので位相差の変化から吐出ノズル４０部分の抵抗値の変化を検出することにより、粘度変化を検出する。

図４（Ａ）は、流体吐出モジュール１２の音響特性を示す等価回路（以下、「第２の等価回路」という）である。

図４（Ｂ）は、流体吐出モジュール１２の電気特性を示す等価回路（以下、「第１の等価回路」という）である。

ここで、図４（Ａ）の音響特性等価回路（第２の等価回路）と、図４（Ｂ）の電気特性等価回路（第１の等価回路）との間の、変数の変換式は、以下の（２）式〜（４）式で表される。

次に、第２の等価回路における音響抵抗に着目すると、音響特性を示す第２の等価回路での微分方程式（（５）式参照）の「ｐ」は、それぞれ電気特性を示す第１の等価回路での微分方程式（（６）式参照）の「ｅ」に相当する。

また、音響特性を示す第２の等価回路での微分方程式（（５）式参照）の「ｕ」は、それぞれ電気特性を示す第１の等価回路での微分方程式（（６）式参照）の「ｉ」に相当する。

ｐ＝ｒ・ｕ・・・（５）
ｅ＝ｒ_e・ｉ・・・（６）
但し、
ｐ：圧力
ｅ：電圧
ｕ：体積速度
ｉ：電流
音響特性の等価回路（第２の等価回路）において、音響抵抗に関する微分方程式（音響系部分方程式）は、式（１）となる。

但し、
Ｄ１：最小流路の断面径
Ｄ２：最大流路の断面径
ｌｅ：流路の長さ
η：インク粘度
上記音響特性と電気特性との関係から、電気特性の等価回路（第１の等価回路）における、抵抗分（供給路４４（並びに、吐出ノズル４０の開放時は吐出ノズル４０）が測定できれば、これを音響特性の等価回路（第２の等価回路）に置き換えることで、簡単に粘度ηを得ることができることがわかる。

電気特性の等価回路（第１の等価回路）における、抵抗分（供給路４４及び吐出ノズル４０での抵抗分）を得るには、大きく分けて、以下の３つの処理を実施する必要がある。
（実施処理１） 印加される電源の周波数を変化させて（本実施の形態では、１００００Ｈｚ〜１０１００００Ｈｚの範囲）、電源の電圧と電流との位相差（サンプリング周波数単位は２５００Ｈｚ）を求める（図６の周波数−位相差特性図参照）。

図６に示されているように、実測値の周波数と位相差の関係を示している第１の波形６００上の共振している領域における低周波数領域側の第１の領域６１０、及び高周波数領域側の第２の領域６２０が存在する。
（実施処理２） 周波数−位相差特性の共振位置におけるカーブフィッティング処理を実行する。
（実施処理３） 電源の周波数を相対的に低周波数領域、高周波数領域での共振点の等価回路を想定する。

ここで、図７が低周波数領域の等価回路であり、図８が低周波数領域の等価回路である。

その後（カーブフィッティング後）、高周波数領域での等価回路からは、Ｌ１，Ｃ１，Ｒ１成分の数値を求め、低周波数領域での等価回路からは、Ｌ２，Ｒ２，Ｌ３，Ｒ３成分の数値を求める。

なお、本実施の形態の電気的等価回路（第１の等価回路）は、図７（低周波数領域）と同等となる。一方、高周波数領域の等価回路では、図７と共通する要素がＬ１、Ｃ１，Ｒ１であることがわかる。低周波数の等価回路では、この要素（Ｌ１、Ｃ１，Ｒ１）が微小値であるため、当該要素（Ｌ１、Ｃ１，Ｒ１）が顕著となる図８の等価回路で特定し、図７の等価回路の同一の要素（Ｌ１、Ｃ１，Ｒ１）に充当するようにしている。

同定された第１の等価回路の抵抗成分Ｒ３の数値を、第２の等価回路に基づく音響系微分方程式（（１）式参照）の音響抵抗ｒに代入することで、粘度ηが求められる。

但し、
Ｄ１：最小流路の断面径
Ｄ２：最大流路の断面径
ｌｅ：流路の長さ
η：インク粘度
（電気系等価回路の抵抗分と粘度との関係）
図１５は、粘度ηが変化したときの、周波数−位相差特性図である。なお、図１５（ａ）は粘度ηが３［ｍＰａ・ｓ］、図１５（ｂ）は粘度ηが５［ｍＰａ・ｓ］、図１５（ｃ９は粘度ηが１０［ｍＰａ・ｓ］、図１５（ｄ）は粘度ηが２０［ｍＰａ・ｓ］の場合を示している。

この図１５（ａ）〜図１５（ｄ）に示されているように、共振周波数の抵抗分（Ｒ２又はＲ３）の変化が粘度ηと相関関係を持っていることがわかる。

以下に本実施の形態の作用を図５のフローチャートに従い説明する。

図５では、３つの工程に分類することができる。

第１の工程（図５の鎖線枠５１０参照）は測定前準備工程、第２の工程（図５の鎖線枠５４０参照）は測定及び粘度出力工程、第３の工程（図５の鎖線枠５６０参照）は後処理工程である。

（第１の工程５１０）
ステップ５１２では、測定液体充填を行う。詳細には、インクカートリッジからインクタンク４１（図１参照）に粘度を測定するためにインク（液体）を充填する。インクがインクタンク４１（図１参照）に充填されたらステップ５１４へ進む。

ステップ５１４では、吸引など正常に充填する。詳細には、インクカートリッジからのインクの吸引などが正常に最後まで流体吐出モジュール１２（図１参照）全体に充填されるまでインク液の充填を行う。

以上が第１の工程であるが、実際は後述する第２の実施の形態との区別をするための、吐出ノズル４０（図１参照）へのキャップの装填、非装填に関するオプション設定を行う。

このオプション設定により、吐出ノズル４０の近傍における等価回路の要素（Ｌ３、Ｃ３、Ｒ３）成分を考慮するか（キャップ非装填）、キャンセルするか（キャップ装填）を決め、第２の工程における演算処理を変更する。

なお、第１の実施の形態では、キャップ非装填を想定して処理を進める（第２の工程におけるステップ５４２へ移行）。

（第２の工程）
ステップ５４２では、電圧印加及び直流測定を行う。詳細には、圧電素子４８に電圧（交流電圧、または交流と直流の重畳電圧）印加を行い、そのときの圧電素子４８での電流測定を行う（図１参照）。

このとき、前述した（実施処理１）前段部分に基づき、印加される電源の周波数を変化させながら実行する（本実施の形態では、１００００Ｈｚ〜１０１００００Ｈｚの範囲）。

このステップ５４２での処理が終了すると、ステップ５４４へ移行する。

ステップ５４４では、電圧・電流位相を測定、及びメモリに格納する。詳細には、ステップ５４２において、圧電素子４８での電流測定を行った後、電圧・電流位相差を測定し、その測定結果をメモリ（例えば、ＲＡＭ３１又はＨＤＤ３３）に格納する。電圧・電流位相の測定結果をメモリに格納後、ステップ５４６へ進む。

すなわち、前述の（実施処理１）の後段部分であり、電源の電圧と電流との位相差をサンプリング周波数単位、２５００Ｈｚで求め、図６の周波数−位相差特性図を作成する。

次のステップ５４６では、前述した（実施処理２）である、カーブフィッティングを行う。すなわち、周波数−位相差特性の共振位置におけるカーブフィッティング処理を実行する。

より詳細には、ステップ５４４において測定してメモリに格納された電圧・電流位相差のデータに基づき、音響抵抗から周波数と位相差との関係を、シンプレックス法などの非線形最小二乗規範で最適化アルゴリズムを用いて曲線（カーブ）の近似式を算出し、周波数と位相差との関係の実測値と同定値とを比較してフィッティングを行う。なお、このカーブフィッティングに関しては、所定の許容値（閾値）以内の範囲になるまでフィッティング処理を行い、実測値との誤差を所定の許容値（閾値）以内になるまで処理を行い続ける。また、フィッティングとは、実測値と理論値の曲線が近づくように変数を求めることであり、フィッティングの評価には、実測値と理論値の差の２乗和を用いる。さらに、この評価方法は、ベクトル差分の定量化に用いられるノルム（平面、空間における幾何学的ベクトルの長さの概念の一般化のベクトル空間に対して距離を与えるための数学的道具）と呼ばれるもので、ノルムが小さいほどよりフィッティングしていることを表す。そのノルムの最小化のアルゴリズムには、Ｌｅｖｅｎｂｅｒｇ−ｍａｒｑｕａｒｄｔアルゴリズムを用い、非線型方程式で差の２乗和を最小化している。そして、周波数と位相差との関係の実測値と同定値とのカーブフィッティングを行った後、ステップ５４８へ進む。

なお、カーブフィッティングの処理例については後述する。

ステップ５４８では、前述の（実施処理３）に基づいて、粘度測定及び出力を行う。

すなわち、実施処理１で得られた特性（図６参照）を相対的に低周波数領域、高周波数領域での共振点の等価回路（図７が低周波数領域の等価回路、図８が低周波数領域の等価回路）を想定し、。

高周波数領域での等価回路からは、Ｌ１，Ｃ１，Ｒ１成分の数値を求め、低周波数領域での等価回路からは、Ｌ２，Ｒ２，Ｌ３，Ｒ３成分の数値を求める。

最後に、同定された第１の等価回路の抵抗成分Ｒ３の数値を、第２の等価回路に基づく音響系微分方程式（（１）式参照）の音響抵抗ｒに代入することで、粘度ηが求められる。

但し、
Ｄ１：最小流路の断面径
Ｄ２：最大流路の断面径
ｌｅ：流路の長さ
η：インク粘度
上記第２の工程５４０が終了すると、第３の工程５６０のステップ５６２へ移行する。

ステップ５６２では、粘度の良否判定を行う。詳細には、第２の工程のステップ５４８で得られたインクの粘度の結果をＣＰＵ３０（図３参照）によって良否判定する。インクの粘度が正常であると判定されたなら、このルーチンは終了し、インク粘度が異常であると判定されたのであれば、再び、第１の工程５１０のステップ５１２へ戻って測定前準備から測定をやり直すか、又は第２の工程５４０のステップ５４２へ戻って粘度の測定及び出力からやり直す。

（カーブフィッティング処理例）
図９に示しているように、フィッティングに関し、それぞれの周波数に対する位相差実測値、理論測定値、及び位相差実測値と理論測定値の差の２乗との関係から、測定した全ての周波数における位相差実測値と理論測定値の差の２乗の総和が算出される。

なお、この総和を算出する際には、Ｓｃｉｌａｂというソフトウェアのｌｓｑｒｓｏｌｖｅコマンドを用いて実測値、理論式、各変数の初期値を入力するとカーブフィッティングを行い、最もフィッティングしたときの各変数の値が算出される。

また、Ｓｃｉｌａｂというソフトウェアのｌｓｑｒｓｏｌｖｅコマンドは、ｅｖｅｎｂｅｒｇ−ｍａｒｑｕａｒｄｔアルゴリズムを用い、非線型方程式で差の２乗和を最小化している手法である。

図１０に示されているように、高周波数領域側の共振領域の波形におけるフィッティング結果（実測値及び同定値）では、圧電素子Ｃｄ、リアクタンスＬ０、キャパシタンスＣ０、レジスタンス素子Ｃ０、Ｒｓ、及び定数ｔｄを定数として与えた場合であり、リアクタンスＬ１＝３．０×１０^−２［Ｈ］、キャパシタンスＣ１＝２．２×１０^−１２［Ｆ］、レジスタンスＲ１＝４．０×１０^３［Ω］とし、フィッティング条件はＳｃｉｌａｂのデフォルト値（初期値）としている。

図１０の実測値及び同定値のフィッティング波形に示されているように、図８の等価回路７００に基づいて、高周波数領域側の共振領域の波形におけるフィッティングは、図７の等価回路のリアクタンスＬ１、キャパシタンスＣ１、レジスタンスＲ１の同定に使用する理論式（電磁気学上、一般に位相差を求める式であり、予めＳｃｉｌａｂに格納している）を用いて行う。

同様に、低周波数領域側の共振領域の波形におけるフィッティングを行う。

図１１に示されているように、低周波数側のフィッティング結果（実測値及び同定値）は、圧電素子Ｃｄ、リアクタンスＬ０、キャパシタンスＣ０、レジスタンスＲ０、Ｒｓ、定数ｔｄのそれぞれを定数として、リアクタンスＬ１、キャパシタンスＣ１、レジスタンスＲ１を高周波数領域側の共振領域の下で演算した値とすることによってリアクタンスＬ２、レジスタンスＲ２、Ｌ３、Ｒ３を求める。

従って、Ｒ３から粘度ηを算出するために、体積弾性率ｋ３＝２．０×１０^１２、電気音響変換係数Ａ＝２．０×１０^４とする下記の式（７）に代入し、粘度が算出される。

例えば、Ｒ３＝２．１×１０^４［Ω］とすると、式（７）から粘度ηを求めると、粘度η＝４．２［ｍＰａ・ｓ］となる。

なお、高周波数側の同定においては、位相差θではなく、アドミタンスＹで同定してもよい。また、低周波数側の同定においても、位相差θではなく、アドミタンスＹで同定してもよい。

（第２の実施の形態）
以下に、本発明の第２の実施の形態について説明する。

この第２の実施の形態は、第１の実施の形態で採用した測定システム、測定方法、及び測定プログラムに関するものであり、第１の実施の形態で説明した構成と同一構成については、同一符号を付して、その構成を省略する。

第２の実施の形態の特徴は、ポリイミドを表面に貼り付けたプレートを吐出ノズル４０（図１参照）面側に押し当てて測定を行うことにある。

すなわち、第１の実施の形態で説明した図５のフローチャートにおける第１の工程５１０の終段で判断するキャップを装填した場合である。

このときの測定結果は第１の実施の形態と似た結果が得られるが、低周波数側は供給路４４（図１参照）のみの等価回路（図１２参照）となる。

なお、この第２の実施の形態では、Ｌ１、Ｃ１、Ｒ１の要素成分がさらに微小値であり、０に近似させればよく（要素として不要であり）、この結果、高周波数領域側での共振領域の位相差取得、並びにカーブフィッティングが不要となる。

以下、本発明の第２の実施の形態の作用を説明する。

低周波数領域側の波形におけるフィッティングを行うために、圧電素子Ｃ０、リアクタンスＬ０、キャパシタンスＣ０、レジスタンスＲ０、Ｒｓ、及び定数ｔｄを定数として、理論式（アドミタンスＹ又は位相差θ）を用いてリアクタンスＬ２及びレジスタンスＲ２が算出される。

レジスタンスＲ２から粘度ηを算出する式（８）に代入し、粘度が算出される。例えば、体積弾性率ｋ２＝４．０×１０^１２、電気音響変換係数Ａ＝２．０×１０^４で、Ｒ２＝４．３×１０^４［Ω］であると、粘度ηは４．３［ｍＰａ・ｓ］となる。

なお、第１の実施の形態及び第２の実施の形態では、圧電素子を用いたヘッド、すなわち、ピエゾインクジェットヘッドを例にとり説明したが、流体吐出モジュールとしは、ＴＩＪ（Ｔｈｅｒｍａｌ Ｉｎｋ Ｊｅｔ）ヘッド（サーマルインクジェット方式の流体吐出モジュール）であっても、同様の効果を得ることができる。

（ＴＩＪヘッドの概略構成）
図１３（ａ）、図１３（ｂ）、及び図１３（ｃ）には、この吐出ノズル１３００の基本的な構成が示されている。図１３（ａ）では、吐出ノズル１３００の平面図が示されており、図１３（ｂ）では図１３（ａ）のＡ−Ａ断面図が示されている。

なお、図１３（ａ）、図１３（ｂ）、及び図１３（ｃ）では、インク吐出口１３０２が設けられた吐出ノズル面１３０４が上部に配置されているが、インク液（インク滴）１３０６は重力方向（下方）に向けて吐出される。また、図示しないインク供給手段が設けられており、毛管力や圧力差によって、インク供給手段（図示省略）からインク室１３０８へインク液１３０６が供給される。

このインク室１３０８の外周面には、インク吐出手段１３１０が設けられている。このインク吐出手段１３１０はサーマルインクジェット方式の吐出手段であり、インク室１３０８の外周面に図示しないヒータを設けて構成されている。

ヒータは例えば、多結晶シリコンからなる発熱体層の上にタンタルからなる保護層を積層して構成されており、図示しない信号印加手段により画像信号に応じたタイミングで所定の信号が印加されるように配線されている。このヒータが加熱すると、インク液１３０６に含まれる揮発成分が瞬時に蒸発して、気泡が発生しインク液１３０６がインク吐出口１３０２から吐出される。

なお、ここではインク吐出手段１３１０は、インク室１３０８の外周面に設けられているが、必ずしも外周面に設ける必要はなく、インク室１３０８の底面の一部に設けることもできる。また、インク吐出口１３０２の形状は円形に限るものではなく、楕円形や多角形など任意の形状であってもその効果は変わるものではない。

一方、吐出ノズル面１３０４には、シール液体１３１２が塗布されており、インク吐出口１３０２内のインク液１３０６が空気に接触しないようにしている。このシール液体１３１２は、性能を維持するため、シール液体１３１２とインク液１３０６とは互いに相溶性がなく、また、シール液体１３１２はインク液１３０６とは自発的に乳化しないことが必要である。

また、図１３（ｂ）に示されているように、吐出ノズル面１３０４に塗布されたシール液体１３１２は、インク吐出口１３０２内のインク液１３０６に接触して吐出ノズル面１３０４にシール液体１３１２の膜を形成する。

さらに、図１３（ｃ）に示すように、吐出ノズル１３００の吐出ノズル面１３０４には、インク液１３０６を貯溜するインク室１３０８が複数設けられている。

図１４に示されているように、図１３において示されている吐出ノズル１３００の中での気泡の成長とインク滴１４０２の噴射を示したものである。

インク吐出手段１３１０によってヒータが加熱されると、インク液１３０６に含まれる揮発成分が瞬時に蒸発して、気泡１３０８が発生し、吐出ノズル面１３０４及びシール液体１３１２を通って、インク滴１４０２がインク液１３０６からインク吐出口１３０２から吐出される。

サーマルインクジェットプリンタの場合におけるインクの粘度測定方法としては、ピエゾ素子を流路内に入れてアドミタンス測定システムを設置する。具体的には、サーマルインクジェットプリンタの場合は、圧電素子、又は圧電素子と連動して振動する振動板、及びその振動板を流路壁の一部とした液体を流す流路からなり、圧電素子を外部から電圧を印加して振動させ、そのときの電流、電圧比、位相差を測定する。なお、圧電素子に正弦波（矩形波、三角波でもよい）を印加（液面が揺れる必要はない）し、そのときの電圧及び電流の位相差を印加周波数毎に測定する。

本発明に係る検査対象となる流体吐出モジュールの断面図が示されている。 本発明に係る検査システム及び流体吐出モジュールに関連する部分の概略構成が示されている。 本発明に係る制御部の概略構成が示されている。 本発明に係る流体吐出モジュールを電気−音響回路と、その等価回路として示されている。 本発明に係る粘度の測定及び出力するためのフローチャートが示されている。 本発明に係るインクの粘度を算出するために、実測値の周波数と位相差との関係を示した第１の波形である。 本発明に係る低周波数側のカーブフィッティングをするための第６の等価回路を示している。 本発明に係る高周波数側のカーブフィッティングをするための第１２の等価回路を示している。 本発明に係るフィッティングに関して、周波数に対する位相差実測値、理論測定値、及び位相差実測値と理論測定値の差の２乗との関係をそれぞれ示している。 本発明に係る高周波数側のフィッティング結果（実測値及び同定値）のカーブを示している。 本発明に係る低周波数側のフィッティング結果（実測値及び同定値）のカーブを示している。 本発明に係るポリイミドを表面に貼り付けたプレートを吐出ノズル面側に押し当てて測定する場合における流体吐出モジュールの等価回路（第１６の等価回路）を示している。 本発明に係るＴＩＪ（サーマルインクジェット方式）ヘッドの構成を示している。 本発明に係る吐出ノズルの中での気泡の成長とインク滴の噴射を示した流体吐出モジュールの様子を示している。 本発明に係る粘度によって変化する周波数と位相差との関係を示している。

符号の説明

１２ 流体吐出モジュール（流体吐出モジュール）
２０ 交流電圧発生装置（振動発生手段）
２８ 制御部（等価回路想定手段、抵抗分抽出手段、流体粘度演算手段）
４０、１３００ 吐出ノズル（吐出ノズル）
４４ 供給路（流路）
４８ 圧電素子（圧電素子）
４６Ａ 振動板（振動板）
η 粘度

Claims (8)

1. 圧電素子、前記圧電素子に面接触された振動板、前記圧電素子に所定の周波数を持つ電圧を印加して前記振動板を振動させる振動発生手段を備え、一部の壁面が前記振動板で構成され、他の一部に吐出ノズルが設けられた空間室内に圧力を加えて当該空間室内に充填された流体を前記吐出ノズルから吐出させる流体吐出モジュールと、
   前記流体吐出モジュールを動作させて周波数に対する電圧と電流との位相差の関係を示す特性の実測値データを得る実測値取得手段と、
   少なくとも前記空間室内の流体の粘度ηを、音響抵抗ｒ、前記空間室内の流路の最小断面径Ｄ１、最大断面径Ｄ２、及び流路の長さｌｅをパラメータとする音響工学に基づく音響系方程式にあてはめて求める際、前記流体吐出モジュールにおける流体吐出動作を、レジスタンスＲ、リアクタンスＬ、キャパシタンスＣを用いた等価回路として表現することで、前記レジスタンスＲ、前記リアクタンスＬ、前記キャパシタンスＣ、周波数ｆ、及び電圧と電流との位相差θの相関関係に基づいた演算式で位相差θを求めると共に、前記実測値取得手段が取得した前記実測値データに基づく電圧と電流との位相差と、前記演算式で求めた位相差θとの差の２乗和の総和が所定のしきい値以下になるまで前記位相差θを求める演算式の補正を繰り返し、前記２乗和の総和が所定のしきい値以下になるまで前記補正がされた演算式に基づいて前記等価回路における前記位相差θがピーク値となる前記周波数ｆの下でのレジスタンスＲを求め、この前記等価回路上のレジスタンスＲを、前記音響抵抗ｒに代入して、前記音響系方程式から流体粘度ηを演算する流体粘度演算手段と、
   を有する流体粘度測定システム。
2. 前記音響系方程式が、以下の（１）式で表される請求項１記載の流体粘度測定システム。
   
3. 前記位相差θが前記ピーク値となる前記周波数ｆを、予め設定した固定値とする請求項１又は請求項２記載の流体粘度測定システム。
4. 前記吐出ノズルを閉塞する閉塞手段をさらに有し、
   前記流体粘度測定手段における演算のための要素の内、前記吐出ノズルから流体が吐出することによって発生する前記要素を排除する請求項１から請求項３の何れか１項記載の流体粘度測定システム。
5. 前記流体粘度演算手段で得られた粘度情報を報知する請求項１から請求項４の何れか１項記載の流体粘度測定システム。
6. 前記請求項１から請求項５の何れか１項記載の流体粘度測定システムを搭載した印字ヘッド。
7. 圧電素子、前記圧電素子に面接触された振動板、前記圧電素子に所定の周波数を持つ電圧を印加して前記振動板を振動させる振動発生手段を備え、一部の壁面が前記振動板で構成され、他の一部に吐出ノズルが設けられた空間室内に圧力を加えて当該空間室内に充填された流体を前記吐出ノズルから吐出させる流体吐出モジュールでの流体の粘度を測定する場合に、
   少なくとも前記空間室内の流体の粘度ηを、音響抵抗ｒ、前記空間室内の流路の最小断面径Ｄ１、最大断面径Ｄ２、及び流路の長さｌｅをパラメータとする音響工学に基づく音響系方程式にあてはめて求める際、前記流体吐出モジュールにおける流体吐出動作を、レジスタンスＲ、リアクタンスＬ、キャパシタンスＣを用いた等価回路として表現し、前記レジスタンスＲ、前記リアクタンスＬ、前記キャパシタンスＣ、周波数ｆ、及び電圧と電流との位相差θの相関関係に基づいた演算式で位相差θを求め、
   前記流体吐出モジュールを動作させて得た周波数に対する電圧と電流との位相差との関係を示す特性の実測値データに基づく電圧と電流との位相差と、前記演算式で求めた位相差θとの差の２乗和の総和が所定のしきい値以下になるまで前記位相差θを求める演算式の補正を繰り返し、
   前記２乗和の総和が所定のしきい値以下になるまで前記補正がされた演算式に基づいて前記等価回路における前記位相差θがピーク値となる前記周波数ｆの下でのレジスタンスＲを求め、
   この前記等価回路上のレジスタンスＲを、前記音響抵抗ｒに代入して、前記音響系方程式から流体粘度ηを演算することをコンピュータに実行させることを特徴とする流体粘度測定プログラム。
8. 前記音響系方程式が、以下の（１）式で表される請求項７記載の流体粘度測定プログラム。