JP6360529B2 - Bubble detection sensor - Google Patents
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本発明は、配管内を流れる液体に含まれる気泡を検出する気泡検出センサに関し、特に、インクジェットプリンタにおいてインクの残量を確認するのに好適な気泡検出センサに関する。 The present invention relates to a bubble detection sensor that detects bubbles contained in a liquid flowing in a pipe, and more particularly to a bubble detection sensor suitable for confirming the remaining amount of ink in an inkjet printer.
カートリッジを用いてインクを供給するタイプのインクジェットプリンタにおいて、インク残量の確認は、カートリッジに設けられた窓を介して使用者が目視により行うか、カートリッジに内蔵された残量検出センサ、カートリッジから吸引するためのポンプの圧力変化などによって行っている。 In an ink jet printer that supplies ink using a cartridge, the amount of ink remaining can be confirmed visually by a user through a window provided in the cartridge, or from a remaining amount detection sensor incorporated in the cartridge, or from the cartridge. This is done by changing the pressure of the pump for suction.
上述の確認方法のうち目視による検査は、作業者が行う必要があるため、省力化の妨げとなり、一方、カートリッジ内にセンサや流路内部に圧力センサを設けた場合、コストアップの原因となる。 Of the above confirmation methods, visual inspection requires an operator to perform, thus hindering labor savings. On the other hand, if a sensor or pressure sensor is provided in the cartridge, it causes a cost increase. .
これらの問題を解決する手段として、カートリッジとプリンタヘッドとを結ぶチューブ(配管)にセンサを取り付け、インク内に含まれる気泡が増えたときに、それを検出することによってインクの残量を確認することが考えられる。 As a means to solve these problems, a sensor is attached to a tube (piping) connecting the cartridge and the printer head, and when the bubbles contained in the ink increase, the remaining amount of ink is confirmed by detecting it. It is possible.
チューブ内を流れる液体に含まれる気泡を検出する手段として、電気、光および音のいずれかが用いられる。 Any of electricity, light, and sound is used as means for detecting bubbles contained in the liquid flowing in the tube.
電気による検出は、配線をチューブに巻き付け、チューブ内のインク(液体)と空気の透磁率の違いによるインダクタンスの差異を検出するものであるが、インク材の透磁率に合わせて閾値を調節する必要がある。 In the detection by electricity, the wiring is wound around the tube, and the difference in inductance due to the difference in permeability between ink (liquid) and air in the tube is detected, but the threshold value needs to be adjusted according to the permeability of the ink material. There is.
光による検出は簡易であるが、電気と同様、インク材の色や屈折率にあわせて閾値を調節する必要がある。 Although detection by light is simple, it is necessary to adjust the threshold value in accordance with the color and refractive index of the ink material as in the case of electricity.
一方、音(振動)による検出は、インク材と空気(気泡)の音響インピーダンスの差が3750倍(インク材1.5Mrayl、空気0.0004Mrayl)と大きいため、閾値の調節が容易である。更に、インク材の種類が変わっても、音響インピーダンスに大きな差がないため、空気と液体の検出方法として適している。 On the other hand, detection by sound (vibration) is easy to adjust the threshold because the difference in acoustic impedance between the ink material and air (bubbles) is as large as 3750 times (ink material 1.5 Mrayl, air 0.0004 Mrayl). Furthermore, even if the type of ink material changes, there is no significant difference in acoustic impedance, so it is suitable as a method for detecting air and liquid.
特許文献1には、超音波を利用してチューブ内を流れる液体の存在を検出するセンサが開示されている。具体的には、ステンレス鋼管(SUS管)の外側に超音波センサを取り付け、管内に液体または空気のいずれが存在するかによって、センサで受信する信号に違いが生じることを利用して、液体と空気の有無を検出している。
特許文献1に記載のセンサは、構造が簡単であり、かつインクを移送するチューブにSUS管を取り付けるだけで済むため、保守性に優れている。その一方、センサで検出できる信号が微弱であるため検出誤差が大きく、更に、高感度のアンプを用いて信号を増幅する必要があるため、装置が高価格になる問題があった。
The sensor described in
本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、検出手段に超音波を用いた、簡単な構造の気泡検出センサを低価格で提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a bubble detection sensor having a simple structure using ultrasonic waves as detection means at a low price.
上記目的を達成するため、本発明にかかる気泡検出センサは、
液体を搬送する配管の途中に取り付けられた金属管と、
前記金属管の外周部に取り付けられ、超音波を発生する第1の圧電素子と、
前記金属管の外周部に取り付けられ、当該金属管を伝播する超音波振動を受信して電気信号に変換する第2の圧電素子と、
前記第1の圧電素子の駆動信号を生成する駆動手段と、
前記第2の圧電素子の受信信号に基づいて前記金属管内に気泡が含まれているか否かを判定する判定手段と、を備えたことを特徴とする。
In order to achieve the above object, a bubble detection sensor according to the present invention includes:
A metal pipe attached in the middle of a pipe that conveys liquid;
A first piezoelectric element attached to the outer periphery of the metal tube and generating ultrasonic waves;
A second piezoelectric element that is attached to the outer periphery of the metal tube and receives ultrasonic vibrations propagating through the metal tube and converts it into an electrical signal;
Drive means for generating a drive signal for the first piezoelectric element;
And determining means for determining whether or not bubbles are included in the metal tube based on a reception signal of the second piezoelectric element.
ここで、前記駆動信号として、矩形波が一定の間隔で繰り返される信号を用いることが好ましい。 Here, it is preferable to use a signal in which a rectangular wave is repeated at a constant interval as the drive signal.
また前記第2の圧電素子の受信信号は、増幅手段を介して前記判定手段に送信され、当該増幅手段は、前記第2の圧電素子の受信信号から所定の帯域の周波数成分を取り出すバンドパスフィルタと、当該バンドパスフィルタの出力信号を増幅するアンプとで構成されることが好ましい。 The reception signal of the second piezoelectric element is transmitted to the determination means via an amplification means, and the amplification means extracts a frequency component of a predetermined band from the reception signal of the second piezoelectric element. And an amplifier that amplifies the output signal of the bandpass filter.
前記判定手段は、前記増幅手段の出力値が、予め定めた閾値以上の場合は、前記金属管が気泡で満たされていると判定し、前記増幅手段の出力値が、予め定めた閾値未満の場合は、前記金属管が液体で満たされていると判定する。 The determining means determines that the metal tube is filled with bubbles when the output value of the amplifying means is greater than or equal to a predetermined threshold, and the output value of the amplifying means is less than a predetermined threshold. In this case, it is determined that the metal tube is filled with a liquid.
また前記金属管として円筒状のパイプを用い、かつ前記第1および第2の圧電素子として、内径が前記金属管の外径と略等しいリング状の圧電素子を用い、前記第1および第2の圧電素子の中空部に前記金属管を挿入し接着材で固定することが好ましい。 In addition, a cylindrical pipe is used as the metal tube, and ring-shaped piezoelectric elements having an inner diameter substantially equal to the outer diameter of the metal tube are used as the first and second piezoelectric elements, and the first and second piezoelectric elements are used. It is preferable to insert the metal tube into the hollow portion of the piezoelectric element and fix it with an adhesive.
前記金属管の長さは、当該金属管の径方向の共振周波数における波長をλとしたとき、λ×(2n−1)/2(nは自然数)に設定することが好ましい。 The length of the metal tube is preferably set to λ × (2n−1) / 2 (n is a natural number) where λ is the wavelength at the resonance frequency in the radial direction of the metal tube.
更に、前記第1および第2の圧電素子は同一の大きさであり、かつ当該第1および第2の圧電素子の間隔は、λ×m/2(mは自然数)に設定することが好ましい。 Furthermore, it is preferable that the first and second piezoelectric elements have the same size, and the interval between the first and second piezoelectric elements is set to λ × m / 2 (m is a natural number).
本発明によれば、簡単な構造でありながら、十分な感度を備えた気泡検出センサを低価格で実現できる。 According to the present invention, it is possible to realize a bubble detection sensor having a sufficient sensitivity while having a simple structure at a low price.
以下、本発明の実施の形態にかかる気泡検出センサについて、図面を参照して説明する。 Hereinafter, a bubble detection sensor according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
(実施の形態1)
図1に、本発明の実施の形態1に係る気泡検出センサの全体構成を示す。以下の説明では、気泡検出センサを、インクジェットプリンタにおいてインクの残量を確認する手段として用いるものとする。
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows the overall configuration of the bubble detection sensor according to
本実施の形態に係る気泡検出センサ1は、インクを移送するチューブ2の途中に配されたセンサ本体3と、センサ本体3に駆動信号を供給すると共に、センサ本体3からの受信信号を処理して、インクの残量が少なく、気泡が多く含まれている場合に警告を行う信号処理回路4とで構成されている。
The
<センサ本体の構成と機能>
最初に、センサ本体3の構成と機能について説明する。センサ本体3は、分割された2本のチューブ2の間に取り付けられた金属管31、ならびにこの金属管31の外周面に装着された2個のリング状圧電素子32aおよび32bで構成されている。
<Configuration and function of sensor body>
First, the configuration and function of the sensor body 3 will be described. The sensor body 3 includes a
2個のリング状圧電素子32a、32bは大きさが等しく、そのうち第1の圧電素子32aは、信号処理回路4から供給される駆動信号によって超音波を発生させる振動子で、以後、トランスミッタ32aという。一方、第2の圧電素子32bは、トランスミッタ32aから出力され、金属管31を伝播する超音波振動を受信して電気信号に変換する振動子で、以後、レシーバ32bという。
The two ring-shaped
センサ本体3の具体的な説明を行う前に、気泡検出の原理について説明する。本発明に係る気泡検出センサ1は、金属管31を伝播する音波の特性が、管内を流れる液体(本実施の形態ではインク)の有無によって変化する現象を利用して、気泡の存在を検出するものであり、液体の残量が少なくなって気泡の量が増えたときに、それを検出して使用者に知らせることができる。
Before describing the sensor body 3 in detail, the principle of bubble detection will be described. The
具体的には、液体で満たされている金属管31は、トランスミッタ32aから送出された超音波振動に対して共振体として機能し、金属管31内が音響負荷となる気泡で満たされた場合は、金属管31の共振周波数がずれることで、レシーバ32bの受信信号の値が変化する。従って、レシーバ32bで受信した信号の電圧値を比較することで、気泡の量が増えたか否かを検出することができる。
Specifically, when the
本実施の形態では、レシーバ32bで受信する信号の値をできるだけ大きくするために、トランスミッタ32aの駆動信号として矩形波が一定間隔で繰り返えされる信号(以降、「連続矩形波」という)を用い、更に、トランスミッタ32aおよびレシーバ32bの取り付け位置を工夫している。以下、図2および図3を参照して、金属管31に伝播される超音波振動について説明する。
In the present embodiment, in order to increase the value of the signal received by the
図2はセンサ本体3の外観を示し、リング状のトランスミッタ32aの両面に形成された一対の電極33の間に連続矩形波の駆動信号を印加すると、矢印で示すように、トランスミッタ32aが径方向に振動して超音波振動を発生させる。その超音波振動は金属管31を伝播してレシーバ32bに到達し、レシーバ32bを矢印で示す方向に振動させ、レシーバ32bの一対の電極34間に電圧を発生させる。
FIG. 2 shows the appearance of the sensor body 3, and when a continuous rectangular wave drive signal is applied between a pair of
図3に、本実施の形態で使用した金属管31、ならびに2つの圧電素子32aおよび32bの具体的な寸法と配置を示す。本実施の形態では、金属管31としてステンレス鋼(SUS)で作成された円筒状のパイプを用い、リング状圧電素子32a、32bの中空部にパイプを挿入した。パイプの外径は3mm、厚みは0.3mm、長さは30mmである。またリング状圧電素子32a、32bとして、外径6mm、内径3mm、厚み2mmの富士セラミック製の圧電素子を用いた。
FIG. 3 shows specific dimensions and arrangements of the
そして図3に示すように、金属管31の端から10mm離れた位置に、トランスミッタ32aとレシーバ32bを接着剤(ヘンケルジャパン製、商品名「エイブルボンド」)を用いて固定した。
Then, as shown in FIG. 3, the
トランスミッタ32aとレシーバ32bの間隔については、それぞれの位置を変えながらトランスミッタ32aの駆動を繰り返し、レシーバ32bの受信信号が最大となる6mmに設定した。同様に、トランスミッタ32aに印加する駆動信号については、繰り返し周波数を変え、レシーバ32bの受信信号が最大となる繰り返し周波数315kHz、電圧1Vの連続矩形波を用いた。
About the space | interval of the
図4(a)に、トランスミッタ32aに印加された駆動信号、また図4(b)に、レシーバ32bで電気信号に変換された受信信号を、オシロスコープで計測した波形をそれぞれ示す。図4(b)において、一点鎖線で示した波形は、金属管31内が空気で満たされたときの波形、実線で示した波形は、金属管31内が水で満たされたときの波形である。
FIG. 4A shows waveforms obtained by measuring the drive signal applied to the
図4(a)と(b)の波形を比較すると、駆動信号の波形に対して受信信号の波形は45度位相がずれている。これは、トランスミッタ32aとレシーバ32bの間隔が6mmであり、金属管31内を超音波振動が伝播してレシーバ32bに到達するのに1μS程度かかるためである。
Comparing the waveforms shown in FIGS. 4A and 4B, the received signal waveform is 45 degrees out of phase with the drive signal waveform. This is because the distance between the
金属管31内が水で満たされたときと空気で満たたされたときで、位相にほとんど変化はないが、レシーバ32bの受信信号の強度は、金属管31内の水を空気に変えた場合、1/2.6程度に減少した。
There is almost no change in phase between when the
図5に、駆動信号および受信信号の周波数特性を示す。図において、実線は駆動信号、一点鎖線は金属管が空気で満たされたときの受信信号、破線は金属管が水で満たされたときの受信信号を示す。 FIG. 5 shows frequency characteristics of the drive signal and the reception signal. In the figure, a solid line indicates a drive signal, a one-dot chain line indicates a reception signal when the metal tube is filled with air, and a broken line indicates a reception signal when the metal tube is filled with water.
図から、検出感度の指標となる各信号のダイナミックレンジが広いことが確認できる。また、金属管内が水で満たされると、基準となる共振周波数に対して700kHz〜800kHzの周波数成分が15dB程度減少していることがわかる。 From the figure, it can be confirmed that the dynamic range of each signal serving as an index of detection sensitivity is wide. It can also be seen that when the metal tube is filled with water, the frequency component of 700 kHz to 800 kHz is reduced by about 15 dB with respect to the reference resonance frequency.
これは、金属管内が空気で満たされた場合の金属管の共振エネルギーが、水が入ることで消散することを意味している。この事実より、780kHz付近でのレシーバ32bの受信信号の値を比較することで、金属管内が水または空気のいずれで満たされているかを判定できる。
This means that the resonance energy of the metal tube when the inside of the metal tube is filled with air is dissipated when water enters. From this fact, it is possible to determine whether the metal tube is filled with water or air by comparing the values of the reception signals of the
<信号処理回路の構成と機能>
次に、図1のブロック図および図4のタイムチャートを参照して、本実施の形態に係る気泡検出センサ1の信号処理回路4の構成と機能を説明する。信号処理回路4は、駆動部41、増幅部42、制御部43、判定部44および警告部45で構成されている。
<Configuration and function of signal processing circuit>
Next, the configuration and function of the signal processing circuit 4 of the
細線の矢印で示すように、制御部43は、駆動部41、増幅部42、判定部44および警告部45の動作を制御する。また制御部43および判定部44はマイクロプロセッサによって実現され、メモリには、それらの機能を実現するプログラムが格納されている。
As indicated by the thin line arrows, the
なお、駆動部41は、特許請求の範囲に記載した駆動手段に相当する。同様に、増幅部42は増幅手段に相当し、判定部44は判定手段に相当する。
The
駆動部41はトランスミッタ32aの駆動信号を生成するもので、コンパレータ等の簡単なデジタル回路で構成されている。前述したように、本実施の形態では、駆動信号として連続矩形波を用いている(図4(a)参照)。具体的には、周波数315kHz、電圧1Vの連続矩形波の駆動信号をトランスミッタ32aの一対の電極33間に印加している。
The
増幅部42は、レシーバ32bで受信した信号を増幅した後、判定部44に出力するもので、バンドパスフィルタとアンプで構成されている。レシーバ32bの受信信号を、中心周波数が780kHzにある狭帯域のバンドパスフィルタを通過させると、金属管31がインクで満たされている場合と空気が満たされている場合で、出力電圧の値が大きく変化する。
The amplifying
増幅部42で増幅され、かつ特定の周波数成分が取り出された受信信号は、予め閾値が設定された判定部44で判定される。受信信号の電圧の値が閾値より小さい場合、金属管31内がインクで満たされていると判定し、警告部45には信号を出力しない。一方、受信信号の電圧値が閾値以上の場合、金属管31の内部が気泡で満たされていると判定し、警告部45に信号を出力する。
The reception signal amplified by the amplifying
警告部45にはスピーカおよびLEDが内蔵されており、判定部44からの信号を受信した警告部45は、音声および光を用いて、金属管内が気泡で満たされていること、すなわちインクが残り少ないことを使用者に知らせる。
The
警告部45の警告により、インクが残り少ないことを知った使用者は、インクタンクにインクを充填し、またはカートリッジを交換して、印刷の中断や印字のかすれ未然に防止する。
A user who knows that there is little ink remaining from the warning of the
なお、判定部44における閾値については、インクに含まれる気泡の量を考慮して設定する。例えば、金属管内を流れるインクがなくなり、ほとんどが空気になったときの値を閾値として設定してもよい。
Note that the threshold value in the
以上説明したように、本実施の形態にかかる気泡検出センサは、簡単な構造でありながら、十分な感度を備えており、インクタンクからインクヘッドに移送されるインクの残量を簡単に確認できるため、インクジェットプリンタの保守性を大幅に改善できる。 As described above, the bubble detection sensor according to the present embodiment has a simple structure and sufficient sensitivity, and can easily check the remaining amount of ink transferred from the ink tank to the ink head. Therefore, the maintainability of the ink jet printer can be greatly improved.
(実施の形態2)
実施の形態1では、トランスミッタ32aとレシーバ32bとの間隔を、実験によりレシーバ32bの受信信号が最大となる値に設定したが、金属管31の長さについては、特に制限を設けていない。
(Embodiment 2)
In the first embodiment, the interval between the
これに対し、本実施の形態では、金属管31に定在波を生じさせ、かつ2つの圧電素子32aおよび32bを定在波の腹の位置に設置することで、レシーバ32bの受信信号の最大化を図っている。図6に、金属管31を伝播する超音波振動によって定在波SWが生じる様子を示す。
On the other hand, in the present embodiment, the standing wave is generated in the
前述したように、トランスミッタ32aによって発生する超音波の振幅およびレシーバ23bによって発生する受信信号の値は微弱である。図6に示すように、金属管31に定在波SWを生じさせ、かつ定在波SWの腹の位置にトランスミッタ32aとレシーバ32bを設置すると、それぞれの振幅が最大となる。結果として、トランスミッタ32aの駆動信号に対してレシーバ32bの受信信号の値が最大となる。
As described above, the amplitude of the ultrasonic wave generated by the
金属管の長さLについては、金属管の径方向の共振周波数における波長λに対し、L=λ×(2n−1)/2(nは自然数)に設定すれば、金属管の長さによる位相ズレがない定在波が生成される。一方、トランスミッタとレシーバの間隔Wについては、W=λ×m/2(mは自然数)にすれば、圧電素子の受信信号の値が最大となる。 If the length L of the metal tube is set to L = λ × (2n−1) / 2 (n is a natural number) with respect to the wavelength λ at the resonance frequency in the radial direction of the metal tube, it depends on the length of the metal tube. A standing wave with no phase shift is generated. On the other hand, if the distance W between the transmitter and the receiver is W = λ × m / 2 (m is a natural number), the value of the received signal of the piezoelectric element is maximized.
なお、波長λは以下の式で求められる。
波長λ=(金属管を伝播する超音波の音速)÷(金属管の径方向の共振周波数)
The wavelength λ is obtained by the following formula.
Wavelength λ = (Sound velocity of ultrasonic wave propagating through metal tube) / (Resonance frequency in the radial direction of metal tube)
具体的に説明すると、図6(a)は、L=λ、W=λ/2の状態を示す。同様に、図6(b)は、L=3/2λ、W=λ/2の状態、図6(c)は、L=2λ、W=λ/2の状態、図6(d)は、L=5/2λ、W=3/2λの状態をそれぞれ示す。図6(a)〜(d)のいずれかの状態を実現することにより、センサの感度を高めて、気泡有無の判定精度を向上させることができる。 More specifically, FIG. 6A shows a state where L = λ and W = λ / 2. Similarly, FIG. 6B shows a state where L = 3 / 2λ and W = λ / 2, FIG. 6C shows a state where L = 2λ and W = λ / 2, and FIG. The states of L = 5 / 2λ and W = 3 / 2λ are shown, respectively. By realizing any one of the states in FIGS. 6A to 6D, it is possible to increase the sensitivity of the sensor and improve the accuracy of determining the presence or absence of bubbles.
なお、上述した各実施の形態では、本発明に係る気泡検出センサを、インクジェットプリンタにおいてインク残量を確認するために用いたが、センサの用途はこれに限定されない。本発明に係る気泡検出センサは、アルコールや化学薬品等の様々な液体の残量を検出する手段としても有効である。 In each of the above-described embodiments, the bubble detection sensor according to the present invention is used to check the remaining amount of ink in an inkjet printer, but the application of the sensor is not limited to this. The bubble detection sensor according to the present invention is also effective as means for detecting the remaining amounts of various liquids such as alcohol and chemicals.
1 気泡検出センサ
2 チューブ
3 センサ本体
4 信号処理回路
31 金属管
32a トランスミッタ(圧電素子)
32b レシーバ(圧電素子)
33、34 電極
41 駆動部
42 増幅部
43 制御部
44 判定部
45 警告部
DESCRIPTION OF
32b Receiver (piezoelectric element)
33, 34
Claims (7)
前記金属管の外周部に取り付けられ、超音波を発生する第1の圧電素子と、
前記金属管の外周部に取り付けられ、当該金属管を伝播する超音波振動を受信して電気信号に変換する第2の圧電素子と、
前記第1の圧電素子の駆動信号を生成する駆動手段と、
前記第2の圧電素子の受信信号に基づいて前記金属管内に気泡が含まれているか否かを判定する判定手段と、を備えたことを特徴とする気泡検出センサ。 A metal pipe attached in the middle of a pipe that conveys liquid;
A first piezoelectric element attached to the outer periphery of the metal tube and generating ultrasonic waves;
A second piezoelectric element that is attached to the outer periphery of the metal tube and receives ultrasonic vibrations propagating through the metal tube and converts it into an electrical signal;
Drive means for generating a drive signal for the first piezoelectric element;
A bubble detection sensor comprising: a determination unit that determines whether or not a bubble is included in the metal tube based on a reception signal of the second piezoelectric element.
当該増幅手段は、前記第2の圧電素子の受信信号から所定の帯域の周波数成分を取り出すバンドパスフィルタと、当該バンドパスフィルタの出力信号を増幅するアンプとで構成される、請求項1または2に記載の気泡検出センサ。 A reception signal of the second piezoelectric element is transmitted to the determination unit via an amplification unit,
The amplifying unit includes a band-pass filter that extracts a frequency component of a predetermined band from the reception signal of the second piezoelectric element, and an amplifier that amplifies the output signal of the band-pass filter. The bubble detection sensor described in 1.
前記第1および第2の圧電素子の中空部に前記金属管を挿入し接着材で固定する、請求項1ないし4のいずれかに記載の気泡検出センサ。 A cylindrical pipe is used as the metal tube, and a ring-shaped piezoelectric element having an inner diameter substantially equal to the outer diameter of the metal tube is used as the first and second piezoelectric elements,
The bubble detection sensor according to any one of claims 1 to 4, wherein the metal tube is inserted into a hollow portion of the first and second piezoelectric elements and fixed with an adhesive.
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