JP6318610B2 - 印刷装置 - Google Patents

Description

この発明は、キャリッジを印刷媒体の被印刷面に沿って相対移動させることで画像を形成する印刷装置に関するものである。

この種の印刷装置の代表例として、インクジェット方式の印刷装置が周知である。この印刷装置では、印刷媒体の搬送方向、いわゆる副走査方向に対して直交する主走査方向に印刷手段を搭載したキャリッジが印刷媒体表面（被印刷面）から上方に離間した状態で移動しながらインク滴を印刷媒体表面に向けて吐出するとともに、印刷媒体が副走査方向に順次搬送される。こうして、印刷媒体に対して画像が印刷される。

この印刷装置では、印刷媒体の搬送中における搬送ずれにより当該印刷媒体にしわが発生することがある。また、印刷媒体のインク吸収や温湿度に起因する伸び等によって印刷媒体が波打つ、いわゆるコクリングが発生することがある。このような現象が発生すると、印刷媒体が部分的に浮き上がり、印刷動作中にキャリッジが印刷媒体表面に擦れたり衝突したりすることがある。

この問題に対応するため、キャリッジ近傍における印刷媒体の浮き上がりを検知するセンサーを設け、浮き上がりが検知された際にはキャリッジの動作を停止させる技術が考案されている。例えば特許文献１には、記録ヘッドと被記録材とのギャップの変化を光学検出型センサーによって検出し、該変化量が規定量から外れた場合に記録ヘッドの移動を停止させる技術が記載されている。

特許文献１において光学検出型センサーの構成は具体的に記載されていないが、このような用途に適用可能な技術としては例えば特許文献２に記載のものがある。特許文献２に記載の技術では、被記録媒体に対して斜め方向から光を入射させ、その正反射光が最も強くなる位置をラインセンサーで検出することで、被記録媒体の表面高さを求めている。

特開平０５−２６２０１９号公報 特開２００６−１６８１３８号公報

このように光学的に印刷媒体の高さ方向位置を検出する構成では、印刷媒体の浮き上がりによって生じる表面の傾きにより正反射光の方向が変化したり、光を透過する透明な印刷媒体では検出を行えなかったりなどの誤検出要因が存在する。このため、位置の誤検出に起因して、キャリッジと印刷媒体との衝突を完全に回避することができなかったり、衝突が起きない状態であるにもかかわらず装置の動作を停止させてしまったりするなどの問題が生じるおそれがあった。

この発明にかかるいくつかの態様は、キャリッジを印刷媒体の被印刷面に沿って相対移動させて画像を形成する印刷装置において、上記課題を解決して、キャリッジと印刷媒体との衝突防止に効果的な技術を提供するものである。

この発明の一の態様は、印刷媒体に対し相対移動して、前記印刷媒体の被印刷面に画像を形成するキャリッジ印刷部と、放射方向が規制されたパルス波またはバースト波である弾性波を前記被印刷面に向けて放射する弾性波放射部と、前記弾性波放射部から放射されて前記被印刷面で反射された弾性波を受信する受信部と、前記弾性波放射部から放射された弾性波が前記受信部に到達するまでの到達時間を計測し、該到達時間が規定時間より短いときに前記相対移動を停止させる制御部とを備え、前記規定時間は、予め定められた前記印刷部と前記印刷媒体との許容最小距離に前記印刷部から前記印刷媒体の距離と前記弾性波放射手段部から前記印刷媒体の距離の差を加えた距離が、前記弾性波放射手段部から前記印刷媒体の距離と一致する時の前記到達時間である印刷装置である。

このような構成では、印刷媒体に向けて弾性波を放射し、印刷媒体の被印刷面からの反射波を受信する。弾性波の到達時間に基づく距離検出では反射面の傾きによる影響が小さく、また対象物が透明であっても検出可能である。また、到達時間が許容最小距離に対応する規定時間よりも短いときに印刷部と印刷媒体との相対移動を停止させることで、印刷部と印刷媒体との距離が許容最小距離よりも小さくなったときには直ちに相対移動を停止させることが可能となる。これにより、印刷部と印刷媒体との衝突が回避される。一方、印刷部と印刷媒体との距離が許容最小距離よりも大きければ相対移動を停止させることなく画像形成を行うことが可能である。

ここで例えば、弾性波放射部からの弾性波の放射方向の中心軸と、画像形成時における該中心軸と被印刷面との交点における被印刷面の法線とがなす角を符号θにより、許容最小距離を符号Ｄｍｉｎにより、空気中の音速を符号Ｖｓによりそれぞれ表すとき、弾性波の周波数Ｆｓが次式：
Ｆｓ≧（Ｖｓ・ｃｏｓθ）／（２Ｄｍｉｎ）
の関係を満たすように構成されてもよい。

この種の印刷装置では、画像形成時のキャリッジと印刷媒体との距離は数ミリメートルないし数センチメートル程度が一般的である。一方、空気中における弾性波の波長もこれと同程度であるから、このような距離を検出するために必要な分解能を得るべく、弾性波の周波数は適切に設定される必要がある。詳しくは後述するが、上記関係式は、衝突回避のために必要十分な検出分解能を得る条件を示す有効な指標である。

また例えば、弾性波放射部から被印刷面を経て受信部に至る弾性波の経路において、弾性波放射部から被印刷面までの経路長よりも被印刷面を経て受信部までの経路長が短くなる構成であってもよい。こうすることで、反射方向の傾きや反射波の散乱による検出精度の低下を抑制することが可能である。

また例えば、弾性波放射部と受信部とが音響的に絶縁されていてもよい。上記したように、放射から受信までの弾性波の経路が短く、極めて短時間で反射波が受信部に到達するので、弾性波放射部からの振動が例えばケースや支持部材を介して回り込んで直接受信部に伝わってしまうと反射波との分離が難しくなる。このような振動の回り込みを抑えるため、弾性波放射部と受信部とが音響的に絶縁されていることが好ましい。

また例えば、受信部が受信した受信弾性波の波形の包絡線に対応する信号を出力する包絡線検波部を備え、制御部は、弾性波放射部が弾性波を放射してから包絡線検波部の出力信号が所定の閾値に達するまでの時間を到達時間とするようにしてもよい。パルス波またはバースト波として放射された弾性波の波形は、分散により、あるいは周囲部材からの反響や残響により、受信部に到達するまでに変形している。到達時間を計測する目的においては波形を再現することは必要なく、包絡線検波によりこのような崩れた波形でも十分に目的を達成することが可能である。またその際の閾値を適切に設定することで、ノイズの影響を受けない計測が可能となる。

この場合さらに、包絡線検波部は、受信弾性波の波形を全波整流し平滑することによって信号を生成し、しかも、該平滑の時定数τが弾性波の周波数Ｆｓに対して次式：
τ≧１／（２π・Ｆｓ）
の関係を満たすように構成されてもよい。このような平滑条件は、いわゆるダイアゴナル・クリッピング歪みを生じる条件であるが、到達時間を計測する目的においては検出感度を高める上でむしろ有用である。また、半波整流では検出距離の分解能が弾性波の波長に対応する長さとなるが、全波整流とすれば半波長に対応する長さの分解能を得ることができる。

本発明にかかる印刷装置の一実施形態を示す図。 到達時間検出部の構成を示すブロック図。 超音波センサーの内部構造を示す側面断面図。 この実施形態における接触回避の原理を示す図。 検波方式と分解能との関係を示す図。

図１は、本発明にかかる印刷装置の一実施形態であるインクジェットプリンターの構成の概略を示す図である。インクジェットプリンター１は、周知の汎用コンピューターとして構成されたユーザー・パーソナルコンピューター（以下「ユーザーＰＣ」と称する）１００から送られてきた印刷データに基づき普通紙、塗工紙、フィルムなどの印刷媒体Ｐの表面に画像や文字などを印刷する装置である。このインクジェットプリンター１は、図１に示すように、印刷媒体送りモーター２１により紙送りローラー２２を駆動することにより印刷媒体Ｐを搬送方向、つまり副走査方向Ｙに搬送する紙送り機構２と、紙送り機構２によりプラテン３１上に搬送された印刷媒体Ｐの表面に印刷ヘッド３２からインク滴を吐出して印刷を行うプリンター機構３と、インクジェットプリンター１全体をコントロールするコントローラー４とを備えている。

プリンター機構３は、メカフレーム３３の一方端（同図の右手端）に配置されたキャリッジモーター３４ａと、メカフレーム３３の他方端（同図の左手端）に配置された従動ローラー３４ｂとを有している。そして、キャリッジモーター３４ａと従動ローラー３４ｂとにキャリッジベルト３５が架設されている。このキャリッジベルト３５の一部にキャリッジ３６が連結されている。このため、コントローラー４からの動作指令に基づいてキャリッジモーター３４ａが作動すると、キャリッジ３６がキャリッジ軸３７に沿って主走査方向（同図の左右方向）Ｘに往復動する。さらに、キャリッジ３６の背面には、キャリッジ３６の移動に伴ってパルス状の信号をコントローラー４に出力するリニア式エンコーダー（図示省略）が配置されており、リニア式エンコーダーからの信号に基づいてコントローラー４は主走査方向Ｘにおけるキャリッジ３６のポジションを管理する。

キャリッジ３６には、印刷ヘッド３２、インクカートリッジ３８および超音波センサー５が搭載されており、キャリッジ３６と一体的に主走査方向Ｘに移動する。インクカートリッジ３８は、溶媒としての水に着色剤としての染料または顔料を含有したシアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）、ブラック（Ｋ）のＣＭＹＫの各色のインクを個別に収容している。そして、印刷ヘッド３２はインクカートリッジ３８からインクの供給を受けてインク滴を吐出する。

超音波センサー５はキャリッジ３６の（＋Ｘ）方向側の側面に取り付けられ、印刷ヘッド３２からプラテン３１上の印刷媒体Ｐまでの距離に関連する信号をコントローラー４に出力する。詳しくは後述するが、超音波センサー５は印刷媒体Ｐに向けて超音波（弾性波）のパルス波またはバースト波を放射するとともに印刷媒体Ｐ表面での反射波を受信する。弾性波が超音波センサー５から放射されて印刷媒体Ｐで反射され、再び超音波センサー５に到達して受信されるまでの時間（以下、「到達時間」という）が、間接的に印刷媒体Ｐまでの距離を表す情報となる。すなわち、印刷媒体Ｐまでの距離が長いほど到達時間は長く、距離が短ければ到達時間も短い。

コントローラー４は、図１に示すように、ＣＰＵ（Central Processing Unit）４１を中心とするマイクロプロセッサーとして構成されており、上記ＣＰＵ４１以外に、各種処理プログラムを記憶したＲＯＭ（Read Only Memory）４２、一時的にデータを記憶するＲＡＭ（Random Access Memory）４３、データの書込／消去可能なフラッシュメモリー４４、外部機器との情報のやり取りを行なうインターフェイス（Ｉ／Ｆ）４５および図示しない入出力ポートなどを備えている。ＲＡＭ４３には、印刷バッファー領域が設けられており、ユーザーＰＣ１００からインターフェイス（Ｉ／Ｆ）４５を介して送られてきた印刷データが印刷バッファー領域に記憶される。そして、ＣＰＵ４１は、印刷媒体送りモーター２１に駆動信号を出力して印刷媒体Ｐを副走査方向Ｙに順次搬送する毎に、キャリッジモーター３４ａに駆動信号を出力してキャリッジ３６を主走査方向Ｘに往復動させる。また、ＣＰＵ４１は、印刷媒体Ｐの搬送およびキャリッジ３６の往復動に対応して印刷ヘッド３２に駆動信号を与えて印刷ヘッド３２からインク滴を吐出する。これによって、印刷データに対応する画像や文字などを印刷媒体Ｐの表面ＰＳ、つまり被印刷面に印刷する。

コントローラー４にはさらに、超音波センサー５との間で種々の信号のやり取りを行って弾性波の到達時間を検出するための到達時間検出部４６が設けられている。その構成については後に説明する。ＣＰＵ４１には、予めＲＯＭ４３に記憶された処理プログラムが実行されることで各種の機能ブロック、すなわちキャリッジ制御部４１１および到達時間計測部４１２が実現される。到達時間計測部４１２は、到達時間検出部４６から与えられる信号に基づいて上記した弾性波の到達時間を計測する。キャリッジ制御部４１１はキャリッジ３６の主走査方向移動を制御するが、到達時間計測部４１２により計測される到達時間が予め設定された規定時間よりも短いことが検知されると、キャリッジ３６を急速停止させる。これは、後述する通り、印刷媒体Ｐがプラテン３１から浮き上がって印刷ヘッド３２の下面または側面に接触するのを未然に防止するためである。

図２は到達時間検出部の構成を示すブロック図である。到達時間検出部４６は、超音波センサー５を制御して前記した到達時間の検出を行うための機能ブロックであり、各種回路素子を用いたハードウェアにより実現されてもよく、またＣＰＵ４１が実行する処理プログラムによりソフトウェア上で実現されてもよい。

到達時間検出部４６は、弾性波の発生タイミングを制御するタイミング発生部４６１と、タイミング発生部４６１からのタイミング制御信号に基づき超音波パルス信号を発生する超音波パルス発生部４６２と、該超音波パルス信号を増幅する増幅器４５３とを有している。増幅された超音波パルス信号は超音波センサー５に設けられた超音波送波器（弾性波放射部）５０１に与えられる。これにより、超音波センサー５から弾性波が出力される。

到達時間検出部４６はまた、超音波センサー５の超音波受波器（弾性波受信部）５０２から出力される信号を増幅する増幅器４６５、増幅された信号から所定の周波数範囲を抽出するバンドパスフィルター（ＢＰＦ）４６６、フィルター後の信号を全波整流検波する検波部４６７、検波部４６７からの出力と閾値電圧発生部４６９から出力される一定の電圧値とを比較する比較器４６８とを備えている。比較器４６８は、検波部４６７からの出力電圧が閾値電圧発生部４６９からの出力電圧を超えたとき、すなわち超音波受波器５０２により受信される超音波（弾性波）のレベルが所定値を超えたときに、所定の信号を出力する。

比較器４６８からの出力信号と、タイミング発生部４６１からのタイミング制御信号とがＣＰＵ４１の到達時間計測部４１２に入力されている。到達時間計測部４１２は、タイミング発生部４６１からのタイミング制御信号により超音波センサー５からの弾性波の放射開始時を把握することができるとともに、比較器４６８からの出力信号により超音波センサー５への弾性波の到達時を把握することができる。これらの情報から、到達時間計測部４１２は、超音波センサー５から放射された弾性波が印刷媒体Ｐで反射されて超音波センサー５により受信されるまでの時間、すなわち到達時間を計測することができる。

図３は超音波センサーの内部構造を示す側面断面図である。超音波センサー５は下面が開放された箱型の上部部材５１１と、その内部に嵌め込まれた下部部材５１２とを組み合わせたハウジング５１を有している。ハウジング５１には超音波送波器５０１と超音波受波器５０２とが設けられているが、このうち超音波送波器５０１には弾性波の放射方向を制限するホーン５０３が取り付けられている。超音波受波器５０２はハウジング５１に直接固定される一方、超音波送波器５０１と一体化されたホーン５０３は例えば発泡ウレタン、軟質ゴム等のクッション材を介してハウジング５１に取り付けられている。これにより、超音波送波器５０１およびこれと一体化されたホーン５０３と、超音波受波器５０２との間は音響的に絶縁されている。これにより、ハウジング５１の個体伝搬による超音波受波器５０２から超音波受波器５０２への弾性波の漏れ（クロストーク）が抑制される。

また、ハウジング５１内の各部に配された空隙部であるキャビティＣＶには適宜の遮音材が入れられるとともに、ハウジング５１の下面には吸音材５２が貼り付けられている。これにより、空間を介した弾性波のクロストークが抑制される。なお、信号ケーブルを介して超音波送波器５０１から超音波受波器５０２へのクロストークが生じることもあるので、ケーブルの硬さや引き回しにおいてもクロストーク対策を講じる必要がある。具体的には、できるだけ柔らかいケーブルを使用し、送波側と受波側とでケーブルを束ねず互いに距離を離すことが好ましい。

超音波送波器５０１の振動板の主面方向およびホーン５０３の中心軸方向は略同一となっており、この軸が弾性波の波面の進行方向すなわち放射方向の中心軸となっている。プラテン３１上における印刷媒体Ｐの表面ＰＳの法線Ｎの方向と、放射方向の中心軸との間の角度を符号θにより表す。印刷媒体Ｐからの直接反射波の受信感度を高めるために、超音波受波器５０２が印刷媒体表面ＰＳを見込む角も同じ法線Ｎに対して角度θをなす配置となっている。

また、超音波送波器５０１から印刷媒体表面ＰＳに至る弾性波の経路長、つまり該経路に沿った超音波送波器５０１の振動板から印刷媒体表面ＰＳまでの距離Ｌ1に対して、印刷媒体表面ＰＳから超音波受波器５０２に至る経路長、つまり該経路に沿った印刷媒体表面ＰＳから超音波受波器５０２の受波面までの距離Ｌ2の方が短くなっている。言い換えれば、超音波送波器５０１よりも超音波受波器５０２の方が、印刷媒体Ｐに近い位置に設置されている。

超音波送波器５０１から放射される弾性波はホーン５０３によって方向が制限されているが、印刷媒体Ｐで反射される弾性波の方向はこのように制限することができない。また、印刷媒体の浮き上がりによって生じる表面の傾きによって反射方向が変化し、超音波受波器５０２から外れることがある。このため、受信感度を高めるためには、超音波送波器５０１からの弾性波を散乱させない範囲で印刷媒体表面ＰＳにできるだけ近い位置に超音波受波器５０２を設置することが望ましい。

次に、上記のように構成されたインクジェットプリンター（印刷装置）１における、動作中のキャリッジ３６と印刷媒体Ｐとの接触を回避するための動作について説明する。上記のように構成されたインクジェットプリンター１では、超音波センサー５、到達時間検出部４６および到達時間計測部４１２の動作によって、超音波送波器５０１から放射された弾性波が印刷媒体Ｐで反射されて超音波受波器５０２に到達するまでの到達時間を計測することが可能である。この計測結果は印刷媒体Ｐとキャリッジ３６との距離を反映するから、該距離がゼロとなる前にキャリッジ３６を停止させれば接触は回避されることになる。具体的には、例えば次のようにすることができる。

図４はこの実施形態における接触回避の原理を示す図である。印刷媒体Ｐが正常な姿勢を維持して搬送されているときには、キャリッジ３６の下面３６１と印刷媒体表面ＰＳとの距離は予め定められた設計値となっているはずである。一方、印刷媒体Ｐの浮き上がりが発生すると、この距離はより小さくなり、ゼロになるとキャリッジ３６に接触する。そこで、正常搬送の場合の距離の設計値とゼロとの間に許容最小距離Ｄｍｉｎを予め設定しておき、キャリッジ３６と印刷媒体表面ＰＳとの距離がこの許容最小距離Ｄｍｉｎを下回ったときに、キャリッジ制御部４１１がキャリッジ３６を停止させるようにすればよい。

なお、実際の処理においてキャリッジ３６と印刷媒体表面ＰＳとの距離を算出する必要はない。超音波センサー５とキャリッジ３６の下面３６１との位置関係は固定されているから、印刷媒体表面ＰＳが許容最小距離Ｄｍｉｎまで近づいたときの弾性波の到達時間は、図４に示す超音波送波器５０１から印刷媒体表面ＰＳを経て超音波受波器５０２に至る経路の長さと音速とから求めることが可能である。そして、このときの到達時間を「規定時間」として定めておく。計測された到達時間がこの規定時間より短いとき、それはキャリッジ３６と印刷媒体表面ＰＳとの距離が許容最小距離Ｄｍｉｎを下回ったことを意味するから、このとき直ちにキャリッジ３６を停止させるようにすればよい。したがって、計測された到達時間と規定時間との比較をすれば足り、距離に換算する必要はない。なお、超音波センサー５とキャリッジ３６の下面３６１との位置関係で説明したが、キャリッジ３６の下面３６１と印刷ヘッド３２の位置関係も固定されているため、上記のような制御を行うことで印刷ヘッド３２と印刷媒体Ｐとの接触を回避することも可能である。すなわち、印刷ヘッド３２と印刷媒体Ｐとの距離で許容最小距離Ｄｍｉｎを設定し、許容最小距離Ｄｍｉｎに印刷ヘッド３２から印刷媒体Ｐの距離と超音波送波器５０１から印刷媒体Ｐの距離の差を加えた距離が、超音波送波器５０１から印刷媒体Ｐの距離と一致する時に、超音波送波器５０１から印刷媒体表面ＰＳを経て超音波受波器５０２に至る経路で計測された弾性波の到達時間と規定時間とを比較すればよい。

ただし、これを可能とするために、弾性波の周波数については適宜に設定される必要がある。というのは、この種の印刷装置におけるキャリッジと印刷媒体との距離は一般的に数ミリメートル程度に設定されており、弾性波デバイスで使用される弾性波の波長もこれと同程度であるからである。つまり、接触回避という目的のためには距離に換算したときにミリ単位またはサブミリ単位での検出分解能が必要とされ、弾性波の波長がこれより長いとそのような分解能を得ることができない。そのため、許容最小距離Ｄｍｉｎは、検出分解能以上とする必要がある。また、許容最小距離Ｄｍｉｎを所望の値とする場合は、検出分解能が所望の値以下となる波長を設定する必要がある。

図４を参照してより具体的に説明する。同図に示す関係から、印刷媒体表面ＰＳがキャリッジ３６の下面３６１から許容最小距離Ｄｍｉｎの位置にあるとき、該距離に対応する弾性波の往復経路長は、（２Ｄｍｉｎ／ｃｏｓθ）により表すことができる。この長さとゼロとを識別するためには、弾性波の波長がこの長さの半分以下であることが望ましい。弾性波の周波数をＦｓ、空気中での音速をＶｓとしたとき、その波長は（Ｖｓ／Ｆｓ）により表されるから、以下の関係式：
（Ｖｓ／Ｆｓ）≦（２Ｄｍｉｎ／ｃｏｓθ）／２
が成立し、これを周波数Ｆｓについて整理すると、次式：
Ｆｓ≧（Ｖｓ・ｃｏｓθ）／Ｄｍｉｎ … （式１）
が得られる。例えば許容最小距離Ｄｍｉｎを１ｍｍ、音速Ｖｓを３４０ｍ／ｓ、θを３０度とすると、好ましい弾性波の周波数Ｆｓはおよそ３００ｋＨｚ以上となる。

ただし、この実施形態では弾性波を検出する検波部４６７において全波整流検波を採用しており、この場合、弾性波周波数の下限は上記（式１）の半分となる。すなわち次式：
Ｆｓ≧（Ｖｓ・ｃｏｓθ）／（２Ｄｍｉｎ） … （式２）
が成立する。その理由を次に説明する。

図５は検波方式と分解能との関係を示す図である。ここで、図５（ａ）は本実施形態で採用する全波整流検波方式を示し、図５（ｂ）は他の例として示す半波整流検波方式を示している。

図５（ａ）上段に示すように、超音波送波器５０１から送信される超音波信号が例えば４波バースト波であるとする。一方、超音波受波器５０２から出力される信号は同図下段に示すように、より分散した波形となることが想定される。繰り返し回数が送信信号より多くなっているのは残響等が含まれるからである。受信波形を全波整流した整流後波形は負側の波形が正側に折り返された形となる。このため、整流後の信号では見かけ上の周波数が元の信号の２倍となっている。

検波部４６７はこうして全波整流された信号を平滑して検波出力として出力する。このような機能を有する検波部４６７としては、例えば公知のホールド機能付きの絶対値回路を用いることができる。平滑の時定数τは比較的長く設定され、弾性波の周波数Ｆｓおよび円周率πを用いて次式：
τ≧１／（２π・Ｆｓ） … （式３）
で表される。より具体的には、上記（式３）右辺の１ないし３倍程度に時定数τが設定される。これは絶対値回路をピークホールド回路として動作させるときの条件に近く、図５（ａ）に「平滑後波形」として示すように、平滑後の波形は原波形の振幅が増大する局面ではピーク値がホールドされて包絡線がなだらかとなり波形変化の検出を容易にする一方、原波形の振幅が低下する局面では原波形に対する追従性が悪い。すなわち、ダイアゴナル・クリッピング歪みが生じる条件である。

ここでは受信信号の立ち上がりを検出することが目的であるから、振幅が増大する局面での検出容易性がより重要であり、このようにダイアゴナル・クリッピング歪みが生じるような条件で平滑を行うことが有効である。もちろん時定数τが大きすぎると信号の立ち上がりに追従できなくなるので、上記した通り、（式３）右辺の１ないし３倍程度が適当である。

超音波送波器５０１から弾性波が送信開始されてから、超音波受波器５０２で受信されて検波された信号が立ち上がりその電圧値が所定の閾値電圧に達するまでの時間が、到達時間Ｔｄとして計測される。閾値電圧は測定系のノイズレベル等を考慮して適宜定めることができる。時定数τが十分に大きいとしても、振幅の立ち上がり局面での包絡線のレベル変化は、図５（ａ）に符号ΔＴｄで示すように、整流後の振幅のピーク値のピッチでしか変化しない。また、図において２種類の平滑後波形を実線と点線とで示したように、信号レベルによって到達時間Ｔｄの計測結果は微小時間ΔＴｄを単位として前後にずれる可能性がある。つまり、この値ΔＴｄが時間軸上での分解能となる。このときの時間軸上の分解能ΔＴｄは、全波整流であるから原波形の周波数Ｆｓの２倍の逆数となる。すなわち次式：
ΔＴｄ＝１／（２Ｆｓ） … （式４）
である。

一方、図５（ｂ）に示す半波整流検波の場合、負側の信号は切り捨てられるため、整流後の振幅のピーク値の変化ピッチは原波形の周波数の逆数となる。つまりこの場合の時間軸上の分解能ΔＴｄは次式：
ΔＴｄ＝１／Ｆｓ … （式５）
で表される。

このように、（式４）と（式５）とを比較すれば明らかなように、弾性波の周波数が同じであるとき、全波整流検波方式では半波整流検波方式に比べて時間軸上の分解能が１／２になる。つまりより細かな時間差を有意な差として検出することができる。言い換えれば、同じ分解能を得るために必要な弾性波の周波数は半波整流の場合の半分で済む。時間軸上の分解能と空間距離における分解能とは音速を介して互いに換算可能であるから、距離検出における分解能についても同じことが言える。

前述の（式１）はこのような全波整流による折り返しを考慮しないものであり、全波整流検波方式を採用した場合には、同じ分解能を得るために必要な弾性波の周波数は（式１）の場合の半分でよい。すなわち、（式２）の関係が成り立つ。したがって、使用する弾性波の周波数としては、上記した関係式（式２）に基づいて定めればよい。先に述べた寸法例では、弾性波の周波数Ｆｓはおよそ１５０ｋＨｚ以上とすることが好ましいことになる。

上記議論は弾性波の周波数の下限を規定するものであるが、周波数は高ければよいというわけでもない。空気中における弾性波の伝搬では周波数が高いと損失が大きくなり、検出すべき距離が長くなると検出精度が大きく低下してしまう。この実施形態での検出対象は数ミリメートルないし数センチメートル程度の距離であり、この目的のために使用可能な周波数の上限は１ＭＨｚ程度である。

なお、この実施形態では、空気中の音速の値を介して伝搬距離と到達時間とが相互に換算可能であることから、弾性波の到達時間の計測結果から直接キャリッジ３６の移動制御を行う。ただし、空気中における音速は空気の温度・湿度および気圧などの環境値によって変化するから、これらの環境値を別途検出するとともに、計測された到達時間または規定時間をこれらの環境値によって補正した上で相互に比較することがより好ましい。より簡易的にはこれらの環境値の一部のみを用いてもよい。

以上のように、この実施形態では、印刷媒体Ｐに対し相対移動しながら画像を形成するキャリッジ３６に超音波センサー５を搭載し、印刷媒体Ｐに向けて弾性波を放射しその反射波を検出して弾性波の到達時間を計測する。そして、計測された到達時間が予め定められた規定時間よりも短いときにはキャリッジ３６の移動を直ちに停止させる。こうすることで、キャリッジ３６の下面３６１と印刷媒体表面ＰＳとの距離が規定時間に対応する許容最小距離Ｄｍｉｎを下回ったときにキャリッジ３６の移動が停止されることになり、キャリッジ３６と印刷媒体Ｐとの接触が未然に回避される。これにより、装置および印刷媒体の汚損が防止される。また、許容最小距離を適切に設定することで、過剰な接触回避、つまり接触の危険性がないにも関わらず動作が停止されてしまうという不都合が回避され、印刷媒体の無駄をなくすとともに印刷のスループット向上を図ることができる。

弾性波の反射を利用してキャリッジ３６と印刷媒体Ｐとの距離に対応する弾性波の到達時間を計測し両者の衝突回避を図る本実施形態では、光学的な検出手法による従来技術に比べて、波打ちなど印刷媒体Ｐの表面状態の影響を受け難く、また樹脂フィルムのような透明な印刷媒体においても不透明な印刷媒体の場合と同様な効果を得られるという利点がある。

ただしこのように短い距離の変化を検出するためには使用される弾性波の周波数が適切に設定される必要があり、具体的には前記（式２）の関係が満たされることにより、必要十分な分解能が得られる。

また、放射された弾性波が効率よく検出されるために、この実施形態では、超音波送波器５０１にホーン５０３を取り付けてその放射方向を規制し、また超音波受波器５０２を印刷媒体Ｐに近づけた配置としている。

また、この実施形態では、超音波センサー５において超音波送波器５０１と超音波受波器５０２とを音響的に絶縁することで、ハウジング５１等を介した弾性波の回り込みを抑制し反射波を精度よく検出することができるようにしている。

また、この実施形態では、受信信号を全波整流し時定数の大きな平滑回路で平滑することにより、検出の分解能を向上させるとともに波形の立ち上がりにおける変化を捕捉しやすくして検出精度を向上させている。

以上説明したように、この実施形態では、印刷ヘッド３２が本発明の「印刷部」として機能しており、キャリッジ３６が本発明の「キャリッジ」として機能している。また上記実施形態では、超音波送波器５０１が本発明の「弾性波放射部」として機能する一方、超音波受波器５０２が本発明の「受信部」として機能している。また、コントローラー４が本発明の「制御部」として機能している。またこの実施形態では、到達時間検出部４６の検波部４６７が本発明の「包絡線検波部」として機能している。

なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて上述したもの以外に種々の変更を行うことが可能である。例えば、上記実施形態では超音波センサー５をキャリッジ３６に設置しているが、印刷媒体Ｐの浮き上がりを検知しキャリッジとの接触を防止する目的においてこのことは必須ではない。すなわち、超音波センサーをキャリッジとは別の位置に設けた場合でも、超音波センサーとキャリッジとの位置関係が既知であれば、超音波センサーから印刷媒体までの距離がわかればキャリッジから印刷媒体までの距離もわかるから、その距離が規定値よりも小さくなったときにキャリッジを停止させるようにすればよい。

また、上記実施形態では印刷媒体で反射される弾性波の到達時間をキャリッジの停止条件としているが、上記したようにキャリッジと印刷媒体との間の距離と、到達時間とは相互に換算可能な物理量であり、本実施形態のように到達時間による判断を行うことと、距離を求めて判断を行うこととは技術的には等価である。

また上記実施形態では超音波受波器５０２で受信した信号をアナログ回路によって処理しているが、受信信号をＡ／Ｄ変換してデジタル演算処理によって到達時間を求めるようにしてもよい。

また上記実施形態は、副走査方向に移動する印刷媒体に対して、これに直交する主走査方向に移動するキャリッジからインク滴を供給して画像を形成するインクジェット方式の印刷装置であるが、本発明は印刷方式に依存せず、各種の印刷方式の印刷装置に対して本発明を適用することが可能である。

４…コントローラー（制御部）、５…超音波センサー、３２…印刷ヘッド（印刷部）、３６…キャリッジ（キャリッジ）、５０１…超音波送波器（弾性波放射部）、５０２…超音波受波器（受信部）、５０３…ホーン、４６７…検波部（包絡線検波部）、Ｐ…印刷媒体。

Claims (5)

1. 印刷媒体に対し相対移動して、前記印刷媒体の被印刷面に画像を形成する印刷部と、
   放射方向が規制されたパルス波またはバースト波である弾性波を、前記被印刷面に向けて放射する弾性波放射部と、
   前記弾性波放射部から放射されて前記被印刷面で反射された弾性波を受信する受信部と、
   前記弾性波放射部から放射された弾性波が前記受信部に到達するまでの到達時間を計測し、該到達時間が規定時間より短いときに前記相対移動を停止させる制御部と
   を備え、
   前記規定時間は、予め定められた前記印刷部と前記印刷媒体との許容最小距離に前記印刷部から前記印刷媒体の距離と前記弾性波放射手段部から前記印刷媒体の距離の差を加えた距離が、前記弾性波放射手段部から前記印刷媒体の距離と一致する時の前記到達時間で
   あり、
   前記弾性波放射部から前記被印刷面を経て前記受信部に至る弾性波の経路において、前記弾性波放射部から前記被印刷面までの経路長よりも、前記被印刷面から前記受信部までの経路長が短くなるように、前記弾性波放射部と前記受信部とが配置されていることを特徴とする印刷装置。
2. 前記弾性波放射部からの弾性波の放射方向の中心軸と、画像形成時における該中心軸と前記被印刷面との交点における前記被印刷面の法線とがなす角を符号θにより、前記許容最小距離を符号Ｄｍｉｎにより、空気中の音速を符号Ｖｓによりそれぞれ表すとき、弾性波の周波数Ｆｓが次式：
   Ｆｓ≧（Ｖｓ・ｃｏｓθ）／（２Ｄｍｉｎ）
   の関係を満たす請求項１に記載の印刷装置。
3. 前記弾性波放射部と前記受信部とが音響的に絶縁されている請求項１または２に記載の印刷装置。
4. 前記受信部が受信した受信弾性波の波形の包絡線に対応する信号を出力する包絡線検波部を備え、
   前記制御部は、前記弾性波放射部が弾性波を放射してから前記包絡線検波部の出力信号が所定の閾値に達するまでの時間を前記到達時間とする
   請求項１ないし３のいずれかに記載の印刷装置。
5. 印刷媒体に対し相対移動して、前記印刷媒体の被印刷面に画像を形成する印刷部と、
   放射方向が規制されたパルス波またはバースト波である弾性波を、前記被印刷面に向けて放射する弾性波放射部と、
   前記弾性波放射部から放射されて前記被印刷面で反射された弾性波を受信する受信部と、
   前記弾性波放射部から放射された弾性波が前記受信部に到達するまでの到達時間を計測し、該到達時間が規定時間より短いときに前記相対移動を停止させる制御部と、
   前記受信部が受信した受信弾性波の波形の包絡線に対応する信号を出力する包絡線検波部と、
   を備え、
   前記包絡線検波部は、前記受信弾性波の波形を全波整流し平滑することによって前記信号を生成し、しかも、該平滑の時定数τが弾性波の周波数Ｆｓに対して次式：
   τ≧１／（２π・Ｆｓ）
   の関係を満たすことを特徴とする印刷装置。

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