JP4048726B2

JP4048726B2 - Ink cartridge and ink jet recording apparatus

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Publication number: JP4048726B2
Application number: JP2001093392A
Authority: JP
Inventors: 村登田
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2001-03-28
Filing date: 2001-03-28
Publication date: 2008-02-20
Anticipated expiration: 2021-03-28
Also published as: JP2002283586A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、インクカートリッジ及びインクジェット式記録装置に係わり、特に、圧電装置を用いて液量を監視する機能を有するインクカートリッジ及びインクジェット式記録装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インクジェット式記録装置においては、圧力発生室を加圧する圧力発生手段と、加圧されたインクをインク滴として射出するノズル開口と、を有するインクジェット記録ヘッドがキャリッジに搭載されている。
【０００３】
インクジェット式記録装置では、インクタンク（インク容器）内のインクが流路を介して記録ヘッドに供給され続けることにより、印刷を継続可能に構成されている。インクタンクは、例えばインクが消費された時点でユーザが簡単に交換できる、着脱可能なカートリッジとして構成されている。
【０００４】
従来、インクカートリッジのインク消費の管理方法としては、記録ヘッドでのインク滴の射出数やメンテナンスにより吸引されたインク量をソフトウエアにより積算してインク消費を計算により管理する方法や、インクカートリッジに液面検出用の電極を取付けることにより実際にインクが所定量消費された時点を管理する方法などがある。
【０００５】
しかしながら、ソフトウェアによりインク滴の吐出数やインク量を積算してインク消費を計算上管理する方法には、次のような問題がある。ヘッドの中には吐出インク滴に重量バラツキを有するものがある。このインク滴の重量バラツキは画質には影響を与えないが、バラツキによるインク消費量の誤差が累積した場合を考慮して、マージンを持たせた量のインクをインクカートリッジに充填してある。従って、個体によってはマージン分だけインクが余るという問題が生ずる。
【０００６】
一方、電極によりインクが消費された時点を管理する方法は、インクの実量を検出できる。このため、インク残量を高い信頼性で管理できる。しかしながら、インクの液面の検出をインクの導電性に頼るので、検出可能なインクの種類が限定されたり、電極のシール構造が複雑化し得る。また、電極の材料としては、通常は導電性が良く耐腐食性も高い貴金属が使用されるので、インクカートリッジの製造コストがかさむ。さらに、２本の電極を装着する必要があるため、製造工程が多くなり、結果として製造コストがかさんでしまう。
【０００７】
上記の課題を解決すべく、特願２０００−１４７０５２号には、液体残量を正確に検出でき、かつ複雑なシール構造を不要とした、液体容器に装着される圧電装置が記載されている。また、特願２０００−１４７１２３号には、インクの液面を正確に検出するための手段として、インク滴の射出数に基づいてインクの推定消費状態を求めると共に圧電装置を用いてインクの実消費状態を検出する手段が記載されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述した特許出願に係る技術によれば、圧電装置の振動部に対向する空間にインクが存在する場合とインクが存在しない場合とで、圧電装置の振動部の残留振動に起因して発生する残留振動信号の共振周波数が変化することを利用して、インクカートリッジ内のインク残量を監視することができる。
【０００９】
ところが、従来の技術においては、圧電装置の振動部に対向する空間にインクが存在しない場合の共振周波数が事前にはわからないためにインクがなくなった時点を正確に検出することが困難であった。
【００１０】
本発明は、上述した事情を考慮して成されたものであって、インクカートリッジ内のインク量を高い信頼性の下で監視できるインクカートリッジ及びこれを備えたインクジェット式記録装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、インクによって記録を行う記録装置のインクカートリッジにおいて、インクを収容するインク容器と、前記インクの消費状態を検出するために、前記インク容器に装着され、前記インク容器のインク収容空間に少なくとも一部を露出させた振動部を有し、駆動信号を受けて前記振動部を振動させる機能と共に、前記振動部の振動状態に応じて発生する逆起電力の信号を出力する機能を有する圧電装置と、前記インクカートリッジを前記記録装置の本体に装着する前においては前記圧電装置の前記振動部を前記インク収容空間内のインクから隔離すると共に、前記インクカートリッジを前記記録装置の本体に装着した際に前記圧電装置の前記振動部を前記インク収容空間内のインクに接触させる振動部隔離手段と、を有することを特徴とする。
【００１２】
また、好ましくは、前記インク容器には、前記インクカートリッジを前記記録装置の本体に装着する際に前記記録装置の本体のインク供給針が挿入されるインク供給口が形成されており、前記振動部隔離手段は、前記インク供給口に挿入された前記インク供給針に係合して前記インク供給針と共に移動する移動体と、前記圧電装置の前記振動部を覆って前記インク収容空間内のインクから前記振動部を隔離するテープ部材と、を有し、前記インクカートリッジを前記記録装置の本体に装着する際に前記インク供給針に係合して移動する前記移動体によって前記テープ部材が引っ張られて前記テープ部材による前記振動部の覆いが解除される。
【００１３】
また、本発明の参考例においては、好ましくは、前記インクカートリッジは、前記記録装置の本体に装着されるに際して、前記振動部隔離手段による前記振動部の覆いが解除される前の第１位置を経て、前記振動部隔離手段による前記振動部の覆いが解除されて前記インクカートリッジが前記記録装置の本体に装着された状態の第２位置に移動するものであり、前記第１及び第２位置において前記圧電装置と前記記録装置の本体とが電気的に接続された状態にあり、前記第１及び第２位置において、前記圧電装置に駆動信号を供給して前記振動部を振動させた後に前記圧電装置から出力される残留振動信号が前記記録装置の本体に伝達されるようになされる。
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明によるインクジェット式記録装置は、上記いずれかのインクカートリッジと、前記インクカートリッジが装着される記録装置本体と、前記圧電装置からの出力信号に基づいて前記インクカートリッジ内のインクの液位を判定する液位判定手段と、を備えたことを特徴とする。
【００１５】
上記課題を解決するために、本発明の参考例によるインクジェット式記録装置は、上述した第１及び第２位置にて圧電装置を駆動できるインクカートリッジと、前記インクカートリッジが装着される記録装置本体と、前記圧電装置からの出力信号に基づいて前記インクカートリッジ内のインクの液位を判定する液位判定手段と、を備え、前記液位判定手段は、前記第１位置において前記圧電装置に駆動信号を供給して前記振動部を振動させた後の前記振動部の残留振動に起因して前記圧電装置から出力される残留振動信号に基づいて、前記振動部にインクが接触していない状態における残留振動信号の共振周波数を測定して初期共振周波数として記憶すると共に、前記第２位置において前記圧電装置に駆動信号を供給して前記振動部を振動させた後の前記振動部の残留振動に起因して前記圧電装置から出力される残留振動信号の共振周波数が前記初期共振周波数に略一致したときに、前記インク容器内のインクの液面が前記振動部の設置位置を越えて低下したものと判断することを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の参考例においては、好ましくは、前記液位判定手段は、前記インクカートリッジを前記記録装置本体に装着する際に前記第１位置において測定された前記初期共振周波数と、同じく前記インクカートリッジを前記記録装置本体に装着する際に前記第２位置において測定された前記共振周波数とを比較して、両者の間に有意な変化がみられない場合には前記液位検出装置に異常があると判断する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態によるインクカートリッジ及びインクジェット式記録装置ついて図面を参照して説明する。
図１中符号１はキャリッジであり、このキャリッジ１はキャリッジモータ２により駆動されるタイミングベルト３を介し、ガイド部材４に案内されてプラテン５の軸方向に往復移動されるように構成されている。
【００１８】
キャリッジ１の記録用紙６に対向する側にはインクジェット式記録ヘッドが搭載され、またその上部には記録ヘッドにインクを供給するインクカートリッジ７が着脱可能に装着されている。
【００１９】
この記録装置の非印字領域であるホームポジション(図中、右側)にはキャップ部材３１が配置されており、このキャップ部材３１はキャリッジ１に搭載された記録ヘッドがホームポジションに移動した時に、記録ヘッドのノズル形成面に押し当てられてノズル形成面との間に密閉空間を形成するように構成されている。そして、キャップ部材３１の下方には、キャップ部材３１により形成された密閉空間に負圧を与えてクリーニング等を実施するためのポンプユニット１０が配置されている。
【００２０】
そして、キャップ部材３１における印字領域側の近傍には、ゴムなどの弾性板を備えたワイピング手段１１が記録ヘッドの移動軌跡に対して例えば水平方向に進退できるように配置されていて、キャリッジ１がキャップ部材３１側に往復移動するに際して、必要に応じて記録ヘッドのノズル形成面を払拭することができるように構成されている。
【００２１】
図２及び図３は、本実施形態において用いられる圧電装置としてのアクチュエータ１０６の詳細および等価回路を示す。このアクチュエータ１０６は、残留振動による共振周波数を検出することで音響インピーダンスの変化を検知して、インク容器内の液体の消費状態を検出するものである。
【００２２】
図２（Ａ）は、アクチュエータ１０６の拡大平面図である。図２（Ｂ）は、アクチュエータ１０６のＢ−Ｂ断面を示す。図２（Ｃ）は、アクチュエータ１０６のＣ−Ｃ断面を示す。さらに図３（Ａ)および図３（Ｂ)は、アクチュエータ１０６の等価回路を示す。また、図３（Ｃ)および図３（Ｄ)は、それぞれインクカートリッジ内にインクが満たされているときのアクチュエータ１０６を含む周辺およびその等価回路を示し、図３（Ｅ)および図３（Ｆ)は、それぞれインクカートリッジ内にインクが無いときのアクチュエータ１０６を含む周辺およびその等価回路を示す。
【００２３】
アクチュエータ１０６は、ほぼ中央に円形状の開口１６１を有する基板１７８と、開口１６１を被覆するように基板１７８の一方の面（以下、「表面」という。）に配置される振動板１７６と、振動板１７６の表面の側に配置される圧電層１６０と、圧電層１６０を両方からはさみこむ上部電極１６４および下部電極１６６と、上部電極１６４と電気的に結合する上部電極端子１６８と、下部電極１６６と電気的に結合する下部電極端子１７０と、上部電極１６４および上部電極端子１６８の間に配設され両者を電気的に結合する補助電極１７２と、を有する。
【００２４】
圧電層１６０、上部電極１６４および下部電極１６６は、それぞれの主要部としての円形部分を有する。そして、圧電層１６０、上部電極１６４および下部電極１６６のそれぞれの円形部分が、圧電素子を形成している。
【００２５】
振動板１７６は、基板１７８の表面に、開口１６１を覆うように形成される。キャビティ１６２は、開口１６１と面する振動板１７６の部分と基板（キャビティ形成部材）１７８の開口１６１とによって形成される。圧電素子とは反対側の基板１７８の面（以下、「裏面」という。）は、インク容器内方に面している。これにより、キャビティ１６２は液体（インク）と接触するように構成されている。なお、キャビティ１６２内に液体が入っても基板１７８の表面側に液体が漏れないように、振動板１７６は基板１７８に対して液密に取り付けられている。
【００２６】
下部電極１６６は、振動板１７６の表面に位置している。下部電極１６６の主要部である円形部分の中心と開口１６１の中心とは、ほぼ一致するように取り付けられている。なお、下部電極１６６の円形部分の面積は、開口１６１の面積よりも小さくなるように設定されている。
【００２７】
一方、下部電極１６６の表面側には、圧電層１６０が、その円形部分の中心と開口１６１の中心とがほぼ一致するように配置形成されている。この場合、圧電層１６０の円形部分の面積は、開口１６１の面積よりも小さく、かつ、下部電極１６６の円形部分の面積よりも大きくなるように設定されている。
【００２８】
圧電層１６０の表面側には、上部電極１６４が、その主要部である円形部分の中心と開口１６１の中心とがほぼ一致するように配置形成されている。上部電極１６４の円形部分の面積は、開口１６１および圧電層１６０の円形部分の面積よりも小さく、かつ、下部電極１６６の円形部分の面積よりも大きくなるよう設定されている。
【００２９】
したがって、圧電層１６０の主要部は、上部電極１６４の主要部と下部電極１６６の主要部とによって、それぞれ表面側と裏面側とから挟みこまれる構造となっている。これにより、圧電層１６０は効果的に変形駆動され得る。圧電層１６０、上部電極１６４および下部電極１６６のそれぞれの主要部である円形部分が、アクチュエータ１０６における圧電素子を形成する。
【００３０】
上述のように、この圧電素子は振動板１７６に接している。また、上部電極１６４の円形部分、圧電層１６０の円形部分、下部電極１６６の円形部分および開口１６１のうちで、面積が最も大きいのは開口１６１である。このような構造のために、振動板１７６のうち実際に振動する振動領域（振動部の領域）は、開口１６１によって決定される。
【００３１】
また、上部電極１６４の円形部分、圧電層１６０の円形部分および下部電極１６６の円形部分の各面積が、開口１６１の面積より小さいことにより、振動板１７６がより振動しやすくなっている。
【００３２】
さらに、圧電層１６０と電気的に接続する下部電極１６６の円形部分および上部電極１６４の円形部分のうち、下部電極１６６の円形部分の方が小さい。従って、下部端子１６６の円形部分が、圧電層１６０のうちで圧電効果を発生する部分を決定する。
【００３３】
圧電素子を形成する圧電層１６０、上部電極１６４、及び下部電極１６６の円形部分は、その中心が、開口部１６１の中心とほぼ一致している。また、振動板１７６の振動部分を決定する円形状の開口部１６１の中心は、アクチュエータ１０６の全体のほぼ中心に位置している。したがって、アクチュエータ１０６の振動部の中心は、アクチュエータの中心とほぼ一致する。
【００３４】
更に、圧電素子の主要部及び振動板１７６の振動部分が円形形状を有するので、アクチュエータ１０６の振動部は、アクチュエータ１０６の中心に対して対称な形状である。
【００３５】
このようにアクチュエータ１０６の振動部が、アクチュエータ１０６の中心に対して対称な形状であるので、構造の非対称性から生じ得る不要な振動を励起することがない。このため、共振周波数の検出精度が向上する。
【００３６】
また、振動部が等方的な形状であるので、接着の際に固定のばらつきの影響を受けにくく、インク容器に均等に接着され得る。すなわち、アクチュエータ１０６のインク容器への実装性がよい。
【００３７】
更に、振動板１７６のコンプライアンスが大きいので、振動の減衰が小さくなり、共振周波数の検出の精度が向上できる。
【００３８】
また、アクチュエータ１０６の振動の節は、キャビティ１６２の外周部、すなわち、開口部１６１の縁付近に位置する。
【００３９】
上部電極端子１６８は、補助電極１７２を介して上部電極１６４と電気的に接続するように、振動板１７６の表面側に形成されている。一方、下部電極端子１７０は、下部電極１６６に電気的に接続するように、振動板１７６の表面側に形成されている。上部電極１６４は、圧電層１６０の表面側に形成されるため、上部電極端子１６８と接続する途中において、圧電層１６０の厚さと下部電極１６６の厚さとの和に等しい段差を有する必要がある。上部電極１６４だけでこの段差を形成することは難しい。かりに上部電極１６４だけで段差を形成することが可能であったとしても、上部電極１６４と上部電極端子１６８との接続状態が弱くなってしまい、切断してしまう危険がある。そこで、補助電極１７２を補助部材として用いて、上部電極１６４と上部電極端子１６８とを接続させている。このようにすることで、圧電層１６０も上部電極１６４も補助電極１７２に支持された構造となり、所望の機械的強度を得ることができ、また、上部電極１６４と上部電極端子１６８との接続を確実にすることが可能となる。
【００４０】
なお、圧電素子と振動板１７６のうちの圧電素子に直面する振動領域とが、アクチュエータ１０６において実際に振動する振動部である。また、アクチュエータ１０６に含まれる部材は、互いに焼成されることによって一体的に形成されていることが好ましい。アクチュエータ１０６を一体的に形成することによって、アクチュエータ１０６の取り扱いが容易になる。
【００４１】
さらに、基板１７８の強度を高めることによって、振動特性が向上し得る。即ち、基板１７８の強度を高めることによって、アクチュエータ１０６の振動部のみが振動し、アクチュエータ１０６のうち振動部以外の部分が振動しない。また、アクチュエータ１０６の振動部以外の部分が振動しないためには、基板１７８の強度を高めることに加えて、アクチュエータ１０６の圧電素子を薄くかつ小さくすると共に、振動板１７６を薄くすることも有効である。
【００４２】
圧電層１６０の材料としては、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（ＰＬＺＴ）、または、鉛を使用しない鉛レス圧電膜、を用いることが好ましい。基板１７８の材料としては、ジルコニアまたはアルミナを用いることが好ましい。また、振動板１７６には、基板１７８と同じ材料を用いることが好ましい。上部電極１６４、下部電極１６６、上部電極端子１６８および下部電極端子１７０は、導電性を有する材料、例えば、金、銀、銅、プラチナ、アルミニウム、ニッケルなどの金属を用いることができる。
【００４３】
図２および図３に示されるアクチュエータ１０６は、インクカートリッジ７のインク容器の所定の場所に、キャビティ１６２がインク容器内に収容される液体（インク）と接触するように装着される。つまり、アクチュエータ１０６の振動部の少なくとも一部が、インク容器の収容空間に露出している。インク容器に液体が十分に収容されている場合には、キャビティ１６２内およびその外側は液体によって満たされている。
【００４４】
一方、インク容器の液体が消費され、アクチュエータの装着位置以下まで液面が降下すると、キャビティ１６２内に液体が存在しない状態となる、あるいは、キャビティ１６２内にのみ液体が残存されその外側には気体が存在する状態となる。
【００４５】
アクチュエータ１０６は、この状態の変化に起因する音響インピーダンスの相違を検出する。それによって、アクチュエータ１０６は、インク容器に液体が十分に収容されている状態であるか、あるいは、ある一定以上の液体が消費された状態であるか、を検知することができる。
【００４６】
次に、アクチュエータによる液面検出の原理について説明する。
アクチュエータ１０６は、液体の音響インピーダンスの変化を共振周波数の変化を用いて検出することができる。共振周波数は、アクチュエータの振動部が振動した後に振動部に残留する残留振動によって生ずる逆起電力を測定することによって検出することができる。すなわち、上述した圧電素子は、アクチュエータの振動部に残留する残留振動により逆起電力を発生する。逆起電力の大きさは、アクチュエータの振動部の振幅によって変化する。従って、アクチュエータの振動部の振幅が大きいほど、検出が容易である。
【００４７】
また、アクチュエータの振動部における残留振動の周波数によって、逆起電力の大きさが変化する周期が変わる。すなわち、アクチュエータの振動部の周波数は、逆起電力の周波数に対応する。ここで、共振周波数は、アクチュエータの振動部と振動部に接する媒体との共振状態における周波数をいう。
【００４８】
アクチュエータ１０６の振動領域は、振動板１７６のうち開口１６１によって決定されるキャビティ１６２を構成する部分である。インク容器内に液体が充分に収容されている場合には、キャビティ１６２内には、液体が満たされ、振動領域はインク容器内の液体と接触している。一方で、インク容器内に液体が充分にない場合には、振動領域はインク容器内のキャビティに残った液体と接するか、あるいは、液体と接触せず、気体または真空と接触する。
【００４９】
ここで、図２および図３を参照しながら、逆起電力の測定により得られる媒体とアクチュエータ１０６の振動部との共振周波数から、インク容器内の液体の状態を検出する動作および原理について説明する。
【００５０】
アクチュエータ１０６において、上部電極端子１６８および下部電極端子１７０を介して、それぞれ上部電極１６４および下部電極１６６に電圧を印加する。このため、圧電層１６０のうち、上部電極１６４および下部電極１６６に挟まれた部分に電界が生じる。この電界によって、圧電層１６０は変形する。圧電層１６０が変形することによって、振動板１７６のうちの振動領域がたわみ振動する。圧電層１６０が変形した後しばらくは、たわみ振動がアクチュエータ１０６の振動部に残留する。
【００５１】
残留振動は、アクチュエータ１０６の振動部と媒体との自由振動である。従って、圧電層１６０に印加する電圧をパルス波形あるいは矩形波とすることで、電圧を印加した後の振動部と媒体との共振状態を容易に得ることができる。残留振動は、アクチュエータ１０６の振動部の振動であり、圧電層１６０の変形を伴う。このため、圧電層１６０は逆起電力を発生する。この逆起電力は、上部電極１６４、下部電極１６６、上部電極端子１６８および下部電極端子１７０を介して検出される。検出された逆起電力によって、共振周波数が特定できる。この共振周波数に基いて、インク容器内の液体の有無を検出することができる。
【００５２】
一般に、共振周波数ｆｓは、
ｆｓ＝１／（２＊π＊(Ｍ＊Ｃact)^1/2）（式１）
で表される。ここで、Ｍは振動部のイナータンスＭactと付加イナータンスＭ’との和である。Ｃactは振動部のコンプライアンスである。
【００５３】
図２（Ｃ）は、本実施形態において、キャビティ１６２にインクが残存していないときのアクチュエータ１０６の断面図である。図３（Ａ)および図３（Ｂ)は、キャビティ１６２にインクが残存していないときのアクチュエータ１０６の振動部およびキャビティ１６２の等価回路である。
【００５４】
Ｍactは、振動部の厚さと振動部の密度との積を振動部の面積で除したものであり、詳細には、図３（Ａ)に示すように、
Ｍact＝Ｍpzt＋Ｍelectrode1＋Ｍelectrode2＋Ｍvib （式２）
と表される。
【００５５】
ここで、Ｍpztは、振動部における圧電層１６０の厚さと圧電層１６０の密度との積を圧電層１６０の面積で除したものである。Ｍelectrode1は、振動部における上部電極１６４の厚さと上部電極１６４の密度との積を上部電極１６４の面積で除したものである。Ｍelectrode2は、振動部における下部電極１６６の厚さと下部電極１６６の密度との積を下部電極１６６の面積で除したものである。Ｍvibは、振動部における振動板１７６の厚さと振動板１７６の密度との積を振動板１７６の振動領域の面積で除したものである。
【００５６】
ただし、Ｍactを振動部全体としての厚さ、密度および面積から算出することができるように、圧電層１６０、上部電極１６４、下部電極１６６および振動板１７６の振動領域のそれぞれの面積は、上述のような大小関係を有するものの、相互の面積の差は微小であることが好ましい。
【００５７】
また、本実施形態において、圧電層１６０、上部電極１６４および下部電極１６６においては、それらの主要部である円形部分以外の部分は、主要部に対して無視できるほど微小であることが好ましい。従って、アクチュエータ１０６において、Ｍactは、上部電極１６４、下部電極１６６、圧電層１６０および振動板１７６のうちの振動領域のそれぞれのイナータンスの和である。また、コンプライアンスＣactは、上部電極１６４、下部電極１６６、圧電層１６０および振動板１７６のうちの振動領域によって形成される部分のコンプライアンスである。
【００５８】
尚、図３（Ａ)、図３（Ｂ)、図３（Ｄ)、図３（Ｆ)は、アクチュエータ１０６の振動部およびキャビティ１６２の等価回路を示すが、これらの等価回路において、Ｃactはアクチュエータ１０６の振動部のコンプライアンスを示す。Ｃpzt、Ｃelectrode1、Ｃelectrode2およびＣvibは、それぞれ、振動部における圧電層１６０、上部電極１６４、下部電極１６６および振動板１７６のコンプライアンスを示す。Ｃactは、以下の式３で表される。
1/Ｃact＝（1/Ｃpzt）＋（1/Ｃelectrode1）＋（1/Ｃelectrode2）
＋（1/Ｃvib）（式３）
式２および式３より、図３（Ａ)は、図３（Ｂ)のように表すこともできる。
【００５９】
コンプライアンスＣactは、単位面積に圧力をかけたときの変形によって受容できる媒体の体積を表す。すなわち、コンプライアンスＣactは、変形のし易さを表す。
【００６０】
図３（Ｃ)は、インク容器に液体が十分に収容され、アクチュエータ１０６の振動領域の周辺に液体が満たされている場合のアクチュエータ１０６の断面図を示す。図３（Ｃ)のＭ’maxは、インク容器に液体が十分に収容され、アクチュエータ１０６の振動領域の周辺に液体が満たされている場合の付加イナータンス（付加質量（振動領域の振動に影響を及ぼす質量）を面積の２乗で除したもの）の最大値を表す。Ｍ’maxは、
Ｍ’max＝(π*ρ/(2*k³))*(2*(2*k*a)³/(3*π))/(π*a²)² （式４）
（ａは振動部の半径、ρは媒体の密度、ｋは波数である。）
で表される。
【００６１】
尚、式４は、アクチュエータ１０６の振動領域が半径ａの円形である場合に成立する。付加イナータンスＭ’は、振動部の付近にある媒体によって、振動部の質量が見かけ上増加していることを示す量である。式４からわかるように、Ｍ’maxは、振動部の半径ａと媒体の密度ρとによって、大きく変化する。
【００６２】
波数k は、
ｋ＝２＊π＊ｆact／ｃ（式５）
（ｆactは、振動部の共振周波数である。ｃは、媒体中を伝播する音響の速度である。）
で表される。
【００６３】
図３（Ｄ)は、インク容器に液体が十分に収容され、アクチュエータ１０６の振動領域の周辺に液体が満たされている図３（Ｃ)の場合のアクチュエータ１０６の振動部およびキャビティ１６２の等価回路を示す。
【００６４】
図３（Ｅ)は、インク容器の液体が消費され、アクチュエータ１０６の振動領域の周辺に液体が無いものの、アクチュエータ１０６のキャビティ１６２内には液体が残存している場合のアクチュエータ１０６の断面図を示す。
【００６５】
式４は、インク容器に液体が満たされている場合に、インクの密度ρなどから決定される最大のイナータンスＭ’maxを表す式である。一方、インク容器内の液体が消費され、キャビティ１６２内に液体が残留しつつアクチュエータ１０６の振動領域の周辺にある液体が気体または真空に置換された場合等の付加イナータンスＭ’は、一般的に、
Ｍ’＝ρ*ｔ/Ｓ（式６）
と表せる（より詳しくは、後述の式８参照）。ここで、ｔは振動にかかわる媒体の厚さである。Ｓは、アクチュエータ１０６の振動領域の面積である。振動領域が半径ａの円形の場合は、Ｓ＝π*ａ2である。
【００６６】
従って、付加イナータンスＭ’は、インク容器に液体が十分に収容され、アクチュエータ１０６の振動領域の周辺に液体が満たされている場合には、式４に従う。一方で、液体が消費され、キャビティ１６２内に液体が残留しつつアクチュエータ１０６の振動領域の周辺にある液体が気体または真空に置換された場合には、式６に従う。
【００６７】
ここで、図３（Ｅ)のように、インク容器の液体が消費され、アクチュエータ１０６の振動領域の周辺に液体が無いものの、アクチュエータ１０６のキャビティ１６２内には液体が残存している場合の付加イナータンスＭ’を、便宜的にＭ’cavとし、アクチュエータ１０６の振動領域の周辺に液体が満たされている場合の付加イナータンスＭ’maxと区別する。
【００６８】
図３（Ｆ)は、インク容器の液体が消費され、アクチュエータ１０６の振動領域の周辺に液体が無いものの、アクチュエータ１０６のキャビティ１６２内には液体が残存している図３（Ｅ)の場合のアクチュエータ１０６の振動部およびキャビティ１６２の等価回路を示す。
【００６９】
ここで、媒体の状態に関係するパラメータは、式６において、媒体の密度ρおよび媒体の厚さｔである。インク容器内に液体が充分に収容されている場合は、アクチュエータ１０６の振動部に液体が接触する。一方、インク容器内に液体が充分に収容されていない場合は、キャビティ内部に液体が残存するか、もしくは、アクチュエータ１０６の振動部に気体または真空が接触する。アクチュエータ１０６の周辺の液体が消費され、図３（Ｃ)のＭ’maxから図３（Ｅ)のＭ’cavへ移行する過程における付加イナータンスＭ’varは、インク容器内の液体の収容状態によって媒体の密度ρや媒体の厚さｔが変化することに伴って変化する。これにより、共振周波数ｆｓも変化する。従って、共振周波数ｆｓを特定することによって、インク容器内の液体の量を検出することができる。
【００７０】
ここで、図３（Ｅ）に示すようにｔ＝ｄとした場合、式６を用いてＭ’cavを表すと、式６のｔにキャビティの深さｄを代入し、
Ｍ’cav＝ρ*ｄ/Ｓ（式７）
となる。
【００７１】
また、媒体が互いに種類の異なる液体であれば、組成の違いによって密度ρが異なるため、付加イナータンスＭ´及び共振周波数ｆｓが異なる。従って、共振周波数ｆｓを特定することで、液体の種類を検出できる。
【００７２】
図４（Ａ）は、インクタンク内のインクの量とインクおよび振動部の共振周波数ｆｓとの関係を示すグラフである。ここでは液体の１例としてインクについて説明する。縦軸は、共振周波数ｆｓを示し、横軸は、インク量を示す。インク組成が一定であるとき、インク残量の低下に伴い、共振周波数ｆｓは、上昇する。
【００７３】
インク容器にインクが十分に収容され、アクチュエータ１０６の振動領域の周辺にインクが満たされている場合には、その最大付加イナータンスＭ’maxは、式４に表わされる値となる。一方で、インクが消費され、キャビティ１６２内にインクが残留しつつアクチュエータ１０６の振動領域の周辺にインクが満たされていないときには、付加イナータンスＭ’var は、媒体の厚さｔに基づいて式６によって算出される。式６中のｔは、振動にかかわる媒体の厚さであるから、インクが残留するアクチュエータ１０６のキャビティ１６２のｄ(図２（Ｂ）参照)を小さく、即ち、基板１７８を十分に薄くすることによって、インクが徐々に消費されていく過程を検出することもできる（図３（Ｃ)参照）。ここで、ｔinkは振動にかかわるインクの厚さとし、ｔink−maxはＭ’maxにおけるｔinkとする。
【００７４】
例えば、アクチュエータ１０６は、インクカートリッジの底面にインクの液面に対してほぼ水平に配置される。この場合、インクが消費され、インクの液面がアクチュエータ１０６からｔink-maxの高さ以下になると、式６によりＭ’varが徐々に変化し、式１により共振周波数ｆｓが徐々に変化する。従って、インクの液面がｔの範囲内にある限り、アクチュエータ１０６はインクの消費状態を徐々に検出することができる。
【００７５】
あるいは、インクカートリッジの側壁に、アクチュエータ１０６はインクの液面に対してほぼ垂直に配備され得る。この場合、インクが消費され、インクの液面がアクチュエータ１０６の振動領域に達すると、水位の低下に伴い付加イナータンスＭ’が減少する。これにより、式１により共振周波数ｆｓが徐々に増加する。従って、インクの液面がキャビティ１６２の直径２ａ（図３（Ｃ)参照）の範囲内にある限り、アクチュエータ１０６はインクの消費状態を徐々に検出することができる。
【００７６】
図４(Ａ)の曲線Ｘは、底面に配置されたアクチュエータ１０６のキャビティ１６２を十分に浅くした場合や、側壁に配置されたアクチュエータ１０６の振動領域を十分に大きくまたは長くした場合の、インクタンク内に収容されたインクの量とインクおよび振動部の共振周波数ｆｓとの関係を表わしている。インクタンク内のインクの量が減少するとともに、インクおよび振動部の共振周波数ｆｓが徐々に変化していく様子が理解できる。
【００７７】
より詳細には、インクが徐々に消費されていく過程を検出することができる場合とは、アクチュエータ１０６の振動領域の周辺において、互いに密度が異なる液体と気体とがともに存在しかつ振動にかかわる場合である。インクが徐々に消費されていくに従って、アクチュエータ１０６の振動領域周辺において振動にかかわる媒体は、液体が減少する一方で気体が増加する。
【００７８】
例えば、アクチュエータ１０６をインクの液面に対して水平に配備した場合であって、ｔink がｔink−maxより小さいときには、アクチュエータ１０６の振動にかかわる媒体はインクと気体との両方を含む。したがって、アクチュエータ１０６の振動領域の面積Ｓを用いて、式４のＭ’max以下になった状態をインクと気体の付加質量で表すと、
Ｍ’＝Ｍ’air＋Ｍ’ink＝ ρair*ｔair/Ｓ+ρink*ｔink/Ｓ（式８）
となる。ここで、Ｍ’airは空気のイナータンスであり、Ｍ’inkはインクのイナータンスである。ρairは空気の密度であり、ρinkはインクの密度である。ｔairは振動にかかわる空気の厚さであり、ｔinkは振動にかかわるインクの厚さである。
【００７９】
アクチュエータ１０６の振動領域周辺における振動にかかわる媒体のうち、液体が減少して気体が増加するに従い、アクチュエータ１０６がインクの液面に対しほぼ水平に配備されている場合には、ｔairが増加し、ｔinkが減少する。それによって、Ｍ’varが徐々に減少し、共振周波数が徐々に増加する。よって、インクタンク内に残存しているインクの量またはインクの消費量を検出することができる。尚、式７において液体の密度のみの式となっているのは、液体の密度に対して、空気の密度が無視できるほど小さい場合を想定しているからである。
【００８０】
アクチュエータ１０６がインクの液面に対しほぼ垂直に配備されている場合には、アクチュエータ１０６の振動領域のうち、アクチュエータ１０６の振動にかかわる媒体がインクのみの領域と、アクチュエータ１０６の振動にかかわる媒体が気体のみの領域との並列の等価回路（図示せず）と考えられる。アクチュエータ１０６の振動にかかわる媒体がインクのみの領域の面積をＳinkとし、アクチュエータ１０６の振動にかかわる媒体が気体のみの領域の面積をＳairとすると、
1/Ｍ’＝1/Ｍ’air＋1/Ｍ’ink＝Ｓair/(ρair*ｔair)+Ｓink/(ρink*ｔink)（式９）
となる。
【００８１】
尚、式９は、アクチュエータ１０６のキャビティにインクが保持されない場合に適用される。アクチュエータ１０６のキャビティにインクが保持される場合の付加イナータンスについては、式９によるＭ’と式７のＭ’cav との和によって計算することができる。
【００８２】
アクチュエータ１０６の振動は、ｔink−maxの深さからインクの残留する深さｄまで変化するので、インクの残留する深さがｔink−maxよりわずかに小さい程度でアクチュエータ１０６が底面に配置されている場合には、インクが徐々に減少する過程を検出することは出来ない。この場合、ｔink−maxから残留する深さｄまでのわずかなインク量変化におけるアクチュエータの振動変化から、インク量が変化したことを検出する。また、側面に配置され、開口部（キャビティ）の径が小さい場合は、開口部を通過する間のアクチュエータの振動変化は微量なので、通過過程のインク量を検出することは難しく、インク液面が開口部より上か下かを検出する。
【００８３】
例えば、図４(Ａ)の曲線Ｙは、小さい円形の振動領域の場合におけるインクタンク内のインクの量とインクおよび振動部の共振周波数ｆｓとの関係を示す。インクタンク内のインクの液面がアクチュエータの装着位置を通過する前後におけるインク量の差Ｑの間で、インクおよび振動部の共振周波数ｆｓが激しく変化している様子が示される。このことから、インクタンク内にインクが所定量残存しているか否かを２値的に検出することができる。
【００８４】
アクチュエータ１０６を用いて液体の有無を検出する方法は、振動板１７６が液体と直接接触することでインクの有無を検出するので、インクの消費量をソフトウェアによって計算する方法に比べ、検出精度が高い。更に、電極を用いて導電性によりインクの有無を検出する方法は、インク容器への電極の取付位置及びインクの種類によって影響され得るが、アクチュエータ１０６を用いて液体の有無を検出する方法は、インク容器へのアクチュエータ１０６の取付位置及びインクの種類によって影響され難い。
【００８５】
更に、単一のアクチュエータ１０６を用いて発振と液体の有無の検出との双方を実施することができるので、発振と液体の有無の検出とを異なったセンサを用いて実施する方法と比較して、インク容器に取付けるセンサの数を減少することができる。したがって、液量検出機能を持つインク容器を安価に製造できる。なお、圧電層１６０の振動周波数を非可聴領域に設定することで、アクチュエータ１０６の動作中に発生する音を静かにすることが好ましい。
【００８６】
図４（Ｂ）は、インクの密度とインクおよび振動部の共振周波数ｆｓとの関係の一例を示す。ここでは、液体の例としてインクについて説明しており、「インク満」と「インク空」（或いは「インク無し」）とは相対的な２状態を意味し、いわゆるインクフル状態とインクエンド状態とを意味するものではない。図４（Ｂ）に示すように、インク密度が高い場合、付加イナータンスが大きくなるので共振周波数ｆｓが低下する。すなわち、インクの種類によって共振周波数ｆｓが異なる。したがって、共振周波数ｆｓを測定することによって、インクを再充填する際に、密度の異なったインクが混入されていないか確認することができる。つまり、互いに種類の異なるインクを収容するインクタンクを識別できる。
【００８７】
続いて、インク容器内の液体が空の状態であってもアクチュエータ１０６のキャビティ１６２内に液体が残存するようにキャビティのサイズと形状を設定した時において、液体の状態を正確に検出できる条件を詳述する。アクチュエータ１０６は、キャビティ１６２内に液体が満たされている場合に液体の状態を検出できれば、キャビティ１６２内に液体が満たされていない場合であっても液体の状態を検出できる。
【００８８】
共振周波数ｆｓは、イナータンスＭの関数である。イナータンスＭは、振動部のイナータンスＭactと付加イナータンスＭ’との和である。ここで、付加イナータンスＭ’が液体の状態と関係する。付加イナータンスＭ’は、振動部の付近にある媒体によって振動部の質量が見かけ上増加していることを示す量である。即ち、振動部の振動によって見かけ上媒体を吸収する（振動に関わるイナータンスが増加する）ことによる振動部の質量の増加分をいう。
【００８９】
従って、Ｍ’cav が式４におけるＭ’max よりも大きい場合には、見かけ上吸収する媒体は全てキャビティ１６２内に残存する液体である。よって、インク容器内に液体が満たされている状態と同じである。この場合、振動に関わる媒体はＭ’max よりも小さくならないので、インクが消費されても変化を検出することが出来ない。
【００９０】
一方、Ｍ’cavが式４におけるＭ’ maxよりも小さい場合には、見かけ上吸収する媒体はキャビティ１６２内に残存する液体およびインク容器内の気体または真空である。このときにはインク容器内に液体が満たされている状態とは異なりＭ’が変化するので、共振周波数ｆｓが変化する。従って、アクチュエータ１０６は、インク容器内の液体の状態を検出できる。
【００９１】
即ち、インク容器内の液体が空の状態で、アクチュエータ１０６のキャビティ１６２内に液体が残存する場合に、アクチュエータ１０６が液体の状態を正確に検出できる条件は、Ｍ’cavがＭ’maxよりも小さいことである。尚、アクチュエータ１０６が液体の状態を正確に検出できる条件Ｍ’max＞Ｍ’cavは、キャビティ１６２の形状にかかわらない。
【００９２】
ここで、Ｍ’cav は、キャビティ１６２の容量とほぼ等しい容量の液体の質量イナータンスである。従って、Ｍ’max ＞Ｍ’cav の不等式から、アクチュエータ１０６が液体の状態を正確に検出できる条件は、キャビティ１６２の容量の条件として表すことができる。例えば、円形状のキャビティ１６２の開口１６１の半径をaとし、およびキャビティ１６２の深さをｄとすると、
Ｍ’max＞ρ＊ｄ／πａ^２（式１０）
である。式１０を展開すると
ａ／ｄ＞３＊π／８（式１１）
という条件が求められる。従って、式１１を満たす開口１６１の半径aおよびキャビティ１６２の深さｄであるキャビティ１６２を有するアクチュエータ１０６であれば、インク容器内の液体が空の状態であって、かつ、キャビティ１６２内に液体が残存する場合であっても、誤作動することなく液体の状態を検出できる。
【００９３】
尚、式１０、式１１は、キャビティ１６２の形状が円形の場合に限り成立する。キャビティ１６２の形状が円形でない場合、対応するＭ’maxの式を用い、式１０中のπａ^２をその面積と置き換えて計算すれば、キャビティの幅および長さ等のディメンジョンと深さの関係が導き出せる。
【００９４】
なお、付加イナータンスＭ’は音響インピーダンス特性にも影響するので、残留振動によりアクチュエータ１０６に発生する逆起電力を測定する方法は、少なくとも音響インピーダンスの変化を検出しているともいえる。
【００９５】
図５(Ａ) および図５（Ｂ）は、アクチュエータ１０６に駆動信号を供給して振動部を振動させた後の、アクチュエータ１０６の残留振動の波形と残留振動の測定方法とを示す。インクカートリッジ内のアクチュエータ１０６の装着位置レベルにおけるインク液位の上下は、アクチュエータ１０６が発振した後の残留振動の周波数変化や、振幅の変化によって検出することができる。図５(Ａ) および図５（Ｂ）において、縦軸はアクチュエータ１０６の残留振動によって発生した逆起電力の電圧を示し、横軸は時間を示す。アクチュエータ１０６の残留振動によって、図５(Ａ) および図５（Ｂ）に示すように電圧のアナログ信号の波形が発生する。次に、アナログ信号を、信号の周波数に対応するデジタル数値に変換（二値化）する。図５(Ａ)および図５（Ｂ）に示した例においては、アナログ信号の４パルス目から８パルス目までの４個のパルスが生じる時間を計測している。
【００９６】
より詳細には、アクチュエータ１０６が発振した後、予め設定された所定の基準電圧を低電圧側から高電圧側へ横切る回数をカウントする。そして、４カウントから８カウントまでの間をＨｉｇｈとしたデジタル信号を生成し、所定のクロックパルスによって４カウントから８カウントまでの時間を計測する。
【００９７】
図５（Ａ）は、アクチュエータ１０６の装着位置レベルよりも上位にインク液面があるときの波形である。一方、図５（Ｂ）はアクチュエータ１０６の装着位置レベルにおいてインクが無いときの波形である。図５（Ａ）と図５（Ｂ）とを比較すると、図５（Ａ）の方が図５（Ｂ）よりも４カウントから８カウントまでの時間が長いことがわかる。換言すると、インクの有無によって４カウントから８カウントまでの所要時間が異なる。この所要時間の相違を利用して、インクの消費状態を検出することができる。
【００９８】
アナログ波形の４カウント目から数えるのは、アクチュエータ１０６の振動が安定してから計測をはじめるためである。４カウント目からとしたのは単なる一例であって、任意のカウントから数えてもよい。ここでは、４カウント目から８カウント目までの信号を検出し、所定のクロックパルスによって４カウント目から８カウント目までの時間を測定している。この時間に基いて、共振周波数を求めることができる。クロックパルスは、８カウント目までの時間を測定する必要は無く、任意のカウントまで数えてもよい。図５においては、４カウント目から８カウント目までの時間を測定しているが、周波数を検出する回路構成にしたがって、異なったカウント間隔内の時間を検出してもよい。
【００９９】
例えば、インクの品質が安定していてピークの振幅の変動が小さい場合には、検出の速度を上げるために４カウント目から６カウント目までの時間を検出することにより共振周波数を求めてもよい。また、インクの品質が不安定でパルスの振幅の変動が大きい場合には、残留振動を正確に検出するために４カウント目から１２カウント目までの時間を検出してもよい。
【０１００】
図６は、アクチュエータ１０６を取付モジュール体１００として一体形成した構成を示す斜視図である。モジュール体１００は、インクカートリッジのインク容器１の所定個所に装着される。モジュール体１００は、インク液中の少なくとも音響インピーダンスの変化を検出することにより、容器１内の液体の消費状態を検知するように構成されている。
【０１０１】
本実施形態のモジュール体１００は、インク容器１にアクチュエータ１０６を取り付けるためのインク容器取付部１０１を有する。インク容器取付部１０１は、平面がほぼ矩形の基台１０２と、駆動信号により発振するアクチュエータ１０６を収容する基台１０２上の円柱部１１６と、を有している。また、モジュール体１００は、インクカートリッジに装着されたときに、モジュール体１００のアクチュエータ１０６が外部から接触できないように構成されている。これにより、アクチュエータ１０６を外部の接触から保護することができる。なお、円柱部１１６の先端側エッジは丸みが付けられていて、インクカートリッジに形成された孔へ装着する際に嵌めやすくなっている。
【０１０２】
図７は、図６に示したモジュール体１００の分解図である。モジュール体１００は、樹脂からなるインク容器取付部１０１と、プレート１１０および凹部１１３を有する圧電装置装着部１０５（図６参照）とを含む。さらに、モジュール体１００は、リードワイヤ１０４ａ及び１０４ｂ、アクチュエータ１０６及びフィルム１０８を有する。好ましくは、プレート１１０は、ステンレス又はステンレス合金等の錆びにくい材料から形成される。
【０１０３】
インク容器取付部１０１に含まれる円柱部１１６および基台１０２は、リードワイヤ１０４ａ及び１０４ｂを収容できるように中心部に開口部１１４が形成されると共に、アクチュエータ１０６、フィルム１０８、及びプレート１１０を収容できるように開口部１１４の周囲に凹部１１３が形成されている。
【０１０４】
アクチュエータ１０６は、プレート１１０にフィルム１０８を介して接合され、プレート１１０およびアクチュエータ１０６は凹部１１３（インク容器取付部１０１）に固定される。従って、リードワイヤ１０４ａ及び１０４ｂ、アクチュエータ１０６、フィルム１０８及びプレート１１０は、インク容器取付部１０１に一体として取り付けられる。
【０１０５】
リードワイヤ１０４ａ及び１０４ｂは、それぞれアクチュエータ１０６の上部電極及び下部電極と結合して、圧電層に駆動信号を伝達する一方、アクチュエータ１０６が検出した共振周波数の信号を記録装置等へ伝達する。
【０１０６】
アクチュエータ１０６は、リードワイヤ１０４ａ及び１０４ｂから伝達された駆動信号に基づいて、一時的に発振する。また、アクチュエータ１０６は、発振後に残留振動し、その振動によって逆起電力を発生させる。このとき、逆起電力波形の振動周期を検出することによって、インク容器内の液体の消費状態に対応した共振周波数を検出することができる。
【０１０７】
フィルム１０８は、アクチュエータ１０６とプレート１１０とを接着して、アクチュエータを液密にする。フィルム１０８は、ポリオレフィン等によって形成し、熱融着で接着することが好ましい。アクチュエータ１０６とプレート１１０とをフィルム１０８によって面状に接着して固定することにより、接着の場所によるばらつきが無くなり、振動部以外の部分が振動しない。したがって、アクチュエータ１０６をプレート１１０に接着しても、アクチュエータ１０６の振動特性は変化しない。
【０１０８】
なお、プレート１１０は円形状であり、基台１０２の開口部１１４は円筒状に形成されている。アクチュエータ１０６及びフィルム１０８は矩形状に形成されている。リードワイヤ１０４ａ及び１０４ｂ、アクチュエータ１０６、フィルム１０８及びプレート１１０は、基台１０２に対して着脱可能としてもよい。基台１０２、リードワイヤ１０４ａ及び１０４ｂ、アクチュエータ１０６、フィルム１０８及びプレート１１０は、モジュール体１００の中心軸に対して対称に配置されている。また、基台１０２、アクチュエータ１０６、フィルム１０８及びプレート１１０の中心は、モジュール体１００のほぼ中心軸上に配置されている。
【０１０９】
また、基台１０２の開口部１１４の面積は、アクチュエータ１０６の振動領域の面積よりも大きく形成されている。プレート１１０の中心でアクチュエータ１０６の振動部に直面する位置には、貫通孔１１２が形成されている。図２および図３に示したように、アクチュエータ１０６にはキャビティ１６２が形成されており、貫通孔１１２とキャビティ１６２とが、共にインク溜部を形成する。プレート１１０の厚さは、残留インクの影響を少なくするために、貫通孔１１２の径に比べて小さいことが好ましい。例えば、貫通孔１１２の深さはその径の３分の１以下の大きさであることが好ましい。貫通孔１１２は、モジュール体１００の中心軸に対して対称なほぼ真円の形状である。また、貫通孔１１２の面積は、アクチュエータ１０６のキャビティ１６２の開口面積よりも大きい。貫通孔１１２の断面の周縁は、テーパ形状であっても良いし、ステップ形状であってもよい。
【０１１０】
モジュール体１００は、貫通孔１１２がインク容器１の内側へ向くように、インク容器１の側部、上部又は底部に装着される。インクが消費され、アクチュエータ１０６周辺のインクがなくなると、アクチュエータ１０６の共振周波数が大きく変化することに基づいて、インクの液位変化を検出することができる。
【０１１１】
図８は、図６に示したモジュール体１００を、インクカートリッジ７のインク容器２０に装着したときの、インク容器２０の底部近傍の断面図である。モジュール体１００は、インク容器２０の側壁に形成された貫通孔に装着されている。インク容器２０の側壁とモジュール体１００との接合面には、Ｏリング９０が設けられ、モジュール体１００とインク容器２０との液密を保っている。このようにＯリング９０でシールが出来るために、モジュール体１００は、図６で説明したような円柱部を備えることが好ましい。
【０１１２】
モジュール体１００の先端がインク容器２０の内部に露出することで、プレート１１０の貫通孔１１２を介して、インク容器２０内のインクがアクチュエータ１０６と接触する。アクチュエータ１０６の振動部の周囲が液体か気体かによって、アクチュエータ１０６の残留振動の共振周波数が異なるので、モジュール体１００を用いてインクの消費状態を検出することができる。
【０１１３】
図９は、本実施形態によるインクジェット式記録装置の主要部分のシステム構成を示した図である。上述したように、インクカートリッジ７にはアクチュエータ（圧電装置）１０６が装着され、このアクチュエータ１０６は、インクカートリッジ７のインク収容空間に少なくとも一部を露出させ得る振動部を有し、駆動信号を受けて前記振動部を振動させる機能と共に、前記振動部の振動状態に応じた逆起電力の信号を出力する機能を有する。
【０１１４】
制御装置本体２００は、インクジェット式記録装置を制御するコンピュータで構成される。制御装置本体２００はインクジェット記録装置に設けられていても良いし、或いは、制御装置本体２００の一部又は全部の機能が、インクジェット式記録装置に接続された他のコンピュータ等の外部装置に設けられていても良い。さらに、制御装置本体２００の一部の機能が、プログラムとしてコンパクトディスク等の記録媒体２０３に格納され、ドライブ装置等の入力装置２０４を介して供給されても良い。
【０１１５】
制御装置本体２００は、液位判定部２０２及び異常判定部２０５を有する液位判定手段２０１を備えている。液位判定手段２０１の液位判定部２０２は、アクチュエータ１０６に駆動信号を供給して振動部を振動させた後の振動部の残留振動に起因してアクチュエータ１０６から出力される残留振動信号の共振周波数に基づいてインクカートリッジ７内のインクの液位を判定する。液位判定部２０２は、例えば、残留振動信号中のパルスの数を計測すると共に、パルス数のカウント開始時点から、所定数のパルスをカウントする時点までの所要時間を計測することにより、残留振動信号の共振周波数を測定する。液位判定部２０２によって、例えばインクカートリッジ７のインクエンドを判定することができる。
【０１１６】
液位判定手段２０１の液位判定部２０２は、図２（Ｃ）に示したようにキャビティ１６２には液体が存在しない場合と、図３（Ｃ）に示したようにキャビティ１６２の部分のみならず、その前方が液体で満たされている場合とで残留振動信号の共振周波数が変化することを利用して、インクの液面が圧電装置１０６の振動部の位置を通過したか否かを判定することができる。
【０１１７】
制御装置本体２００は、さらに、印刷動作部２０６を制御する印刷動作制御部２０７、印刷データ記憶部２０８及び消費情報提示部２０９を含む。消費情報提示部２０９は、液位判定手段２０１が検出した消費状態情報を、ディスプレイ２１０及びスピーカ２１１を用いてユーザに提示する。例えば、ディスプレイ２１０には消費状態を示す図形等が表示され、スピーカ２１１からはインク残量を示す報知音又は合成音声が出力される。合成音声により、適切な操作が案内されてもよい。
【０１１８】
消費状態はユーザの要求に応えて提示されてもよい。また、適当な間隔をおいて周期的に提示されても良い。また、適当なイベント、例えば印刷開始等のイベントが生じたときに提示されても良い。また、インク残量が所定の閾値（例えばインクエンドに相当する閾値）になったときに自動的に提示されても良い。
【０１１９】
次に、図１０及び図１１を参照して、本実施形態における液位検出装置の振動部隔離手段について説明する。
【０１２０】
振動部隔離手段はインクカートリッジ７に装着され、インクカートリッジ７の使用開始前においてアクチュエータ（圧電装置）１０６の振動部をインク収容空間内のインクから隔離すると共に、インクカートリッジ７をカートリッジホルダに装着した際に、アクチュエータ１０６の振動部をインク収容空間内のインクからの隔離を解除してインクに接触させる。
【０１２１】
図１０に示したように振動部隔離手段６０は、インク供給口２１に挿入されたインク供給針４０に係合してインク供給針４０と共に移動する移動体６１と、アクチュエータ１０６の振動部を覆ってインク収容空間内のインクから振動部を隔離するテープ部材６２と、を有する。テープ部材６２の一端側の部分は振動部を覆うようにしてインクカートリッジ７のインク容器２０の内面に接着されており、テープ部材６２の他端は移動体６１に固着されている。また、テープ部材６２はテープガイド６３によって案内されている。
【０１２２】
図１１に示したように、移動体６１は、環状部材６４と、この環状部材６４の下面に突設された３本の細長係合部材６５とを有し、３本の細長係合部材６５の先端部６６が内側に湾曲して、インク供給針４０の先端を受け止めるように構成されている。環状部材６４には３つの貫通孔６７が形成されており、図１０に示したようにインク容器２０の底面に立設された３本の支持棒６８が各貫通孔６７に挿通され、支持棒６８によって移動体６１の上下動作を案内するように構成されている。
【０１２３】
そして、インクカートリッジ７をカートリッジホルダに装着する際にインク供給針４０に係合して上方に移動する移動体６１によってテープ部材６２が引っ張られて、テープ部材６２による圧電装置１０６の振動部の覆いが解除される。その際、テープ部材６２の一端に形成されたストッパー部６９がテープガイド６３に引っかかるように構成されている。
【０１２４】
図１２は、記録装置のキャリッジ１上に形成されたカートリッジホルダ５０に、インクカートリッジ７を装着する直前の様子を模式的に示しており、また図１３は、インクカートリッジ７をカートリッジホルダ５０に装着した後の様子を模式的に示している。キャリッジ１に配置されたカートリッジホルダ５０（以下、単に「ホルダ」とも言う。）には、一般に、複数のインクカートリッジ７が並列状態に装着されるが、図１２にはそのうちの１つのカートリッジ７を示している。
【０１２５】
カートリッジ７内のインク収容空間にはインクが充填されており、カートリッジ７の下底部に形成されたインク供給口２１からインクを導出できるように構成されている。
【０１２６】
カートリッジ７には、圧電装置１０６に対するアクセス端子としての一対の電極端子（又は電極端子群）２２、２３が配置されている。これらのアクセス用の電極端子２２，２３は、カートリッジ７の外表面であって、ホルダ５０に対するカートリッジ７の挿入方向と略平行な面上に配置されており、前記挿入方向に沿った異なる位置、すなわち図１２中、上下方向に若干離された状態で配置されている。
【０１２７】
そして、圧電装置１０６に接続された第１の電極端子２２は、カートリッジ７がホルダ５０に挿入されるときに、テープ部材６２による圧電装置１０６の振動部の覆いが解除される前の第１位置（図１２に示した位置）において、ホルダ５０の内壁に配置された接触端子（又は接触端子群）５１と接触するような位置に設けられている。
【０１２８】
また、圧電装置１０６に接続された第２の電極端子２２は、テープ部材６２による振動部の覆いが解除されてインクカートリッジ７がホルダ５０に装着された状態の第２位置に達したとき、すなわち図１３に示したようにインク供給針４０がインク供給口２１に十分に挿入されて、記録装置側にインクが供給される状態となったときに、ホルダ５０側に配置された接触端子５１と接触するような位置に設けられている。
【０１２９】
このような構成により、第１及び第２位置において圧電装置１０６と制御装置本体２００とが電気的に接続された状態となり、制御装置本体２００の液位判定手段２０１は、第１位置において圧電装置１０６に駆動信号を供給して振動部を振動させた後の振動部の残留振動に起因して圧電装置１０６から出力される残留振動信号に基づいて、振動部にインクが接触していない状態における残留振動信号の共振周波数を測定して初期共振周波数として記憶する。
【０１３０】
さらに、液位判定手段２０１は、第２位置において圧電装置１０６に駆動信号を供給して振動部を振動させた後の振動部の残留振動に起因して圧電装置１０６から出力される残留振動信号が初期共振周波数に略一致したときに、インクカートリッジ７のインク容器２０内のインクの液面が振動部の設置位置を越えて低下したものと判断する。
【０１３１】
また、ホルダ５０には、カートリッジ７が第１位置に挿入された状態で、それ以上の挿入を一時的に阻止することができるロック機構５２が設けられている。このロック機構５２によってカートリッジ７が第１位置にロックされた状態で、第１の電極端子２２を介して制御装置本体２００に接続された圧電装置１０６を駆動して初期共振周波数が測定される。そして、初期共振周波数の測定が終了したら、制御装置本体２００からの指令信号によってロック機構５２が退避され、その結果、図１３に示すようにインクを供給し得る第２位置にカートリッジ７を移動させることができる。
【０１３２】
液位判定手段２０１はインクカートリッジ７の圧電装置１０６の正常／異常を判定する機能を備えており、図１４に示したように、インクカートリッジ７がホルダ５０に挿入されると（ステップ１）、まず第１位置において圧電装置１０６を作動させて初期共振周波数を測定し（ステップ２）、続いて、第２位置において圧電装置１０６を作動させて共振周波数を測定する（ステップ３）。そして、第１位置における初期共振周波数と第２位置における共振周波数とを比較して周波数が変化したか否かを判断し（ステップ４）、両者の間に有意な変化がみられない場合には、液位検出装置に異常があると判断してディスプレイ２１０やスピーカ２１１に警告が表示される（ステップ５）。一方、両周波数の間に有意な変化がみられた場合には、液位検出装置が正常に機能しているものと判断される（ステップ６）。
【０１３３】
以上述べたように、圧電装置１０６の振動部にインクが接触していない状態において初期共振周波数を実測して記憶しておき、インクの消費に伴って変化した共振周波数と初期共振周波数とを比較してインク量を判定するようにしたので、インクカートリッジ７のインク容器２０内のインク量を高い信頼性の下で監視することが可能である。例えば、圧電装置１０６をインク容器２０の底面近傍に配置することにより、高信頼性のインクエンドセンサーとして使用することができる。
【０１３４】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、圧電装置の振動部にインクが接触していない状態における初期共振周波数を事前に測定することができるので、インクの消費に伴って変化する共振周波数を初期共振周波数と比較することにより、インクカートリッジ内のインク量を高い信頼性の下で監視することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態によるインクジェット式記録装置の概略構成を示した斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態における圧電装置（アクチュエータ）の詳細を示す図である。
【図３】図２に示した圧電装置の周辺およびその等価回路を示す図である。
【図４】図２に示した圧電装置によって検出されるインクの共振周波数とインクの密度との関係を示す図である。
【図５】図２に示した圧電装置の逆起電力波形を示す図である。
【図６】図２に示した圧電装置を組み込んだモジュール体を示す斜視図である。
【図７】図６に示したモジュール体の構成を示す分解図である。
【図８】図６に示したモジュール体をインク容器に装着した断面の例を示す図である。
【図９】本発明の一実施形態によるインクジェット式記録装置の主要部分のシステム構成を示した図である。
【図１０】本発明の一実施形態における液位検出装置の振動部隔離手段及びその周辺を拡大して示した断面図である。
【図１１】図１０に示した振動部隔離手段の移動体を示した斜視図である。
【図１２】本発明の一実施形態によるインクジェット式記録装置のカートリッジホルダにインクカートリッジを装着する直前の状態を模式的に示した図である。
【図１３】本発明の一実施形態によるインクジェット式記録装置のカートリッジホルダにインクカートリッジを装着した状態を模式的に示した図である。
【図１４】本発明の一実施形態における液位判定手段の異常判定処理を示したフローチャートである。
【符号の説明】
７インクカートリッジ
２０インク容器
２１インク供給口
２２、２３電極端子
４０インク供給針
５１接触端子
６０振動部隔離手段
６１移動体
６２テープ部材
６３テープガイド
１０６圧電装置（アクチュエータ）
２００制御装置本体
２０１液位判定手段
２０２液位判定部
２０３記録媒体
２０５異常判定部[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ink cartridge and an ink jet recording apparatus, and more particularly to an ink cartridge and an ink jet recording apparatus having a function of monitoring a liquid amount using a piezoelectric device.
[0002]
[Prior art]
In an ink jet recording apparatus, an ink jet recording head having pressure generating means for pressurizing a pressure generating chamber and a nozzle opening for ejecting the pressurized ink as ink droplets is mounted on a carriage.
[0003]
The ink jet recording apparatus is configured to be able to continue printing by continuously supplying ink in an ink tank (ink container) to a recording head via a flow path. The ink tank is configured as a detachable cartridge that can be easily replaced by the user when ink is consumed, for example.
[0004]
Conventionally, the ink consumption management method of the ink cartridge includes a method of managing the ink consumption by calculating the number of ink droplets ejected from the recording head and the amount of ink sucked by the maintenance by software, or an ink cartridge. There is a method of managing a point in time when a predetermined amount of ink is actually consumed by attaching an electrode for detecting a liquid level.
[0005]
However, the method of managing the ink consumption by calculating the number of ink droplet ejections and the amount of ink by software has the following problems. Some heads have variations in weight of ejected ink droplets. Although the weight variation of the ink droplets does not affect the image quality, the ink cartridge is filled with an amount of ink with a margin in consideration of the accumulation of errors in the ink consumption due to the variation. Therefore, depending on the individual, there is a problem that ink is left by the margin.
[0006]
On the other hand, the method of managing the time when ink is consumed by the electrode can detect the actual amount of ink. For this reason, the remaining amount of ink can be managed with high reliability. However, since the detection of the ink level depends on the conductivity of the ink, the types of ink that can be detected may be limited, and the electrode seal structure may be complicated. In addition, as a material for the electrode, a noble metal having high conductivity and high corrosion resistance is usually used, which increases the manufacturing cost of the ink cartridge. Furthermore, since it is necessary to mount two electrodes, the number of manufacturing steps increases, resulting in an increase in manufacturing cost.
[0007]
In order to solve the above-mentioned problem, Japanese Patent Application No. 2000-147052 describes a piezoelectric device mounted on a liquid container, which can accurately detect the remaining amount of liquid and does not require a complicated sealing structure. In Japanese Patent Application No. 2000-147123, as means for accurately detecting the liquid level of ink, the estimated consumption state of ink is obtained based on the number of ejections of ink droplets, and the actual consumption of ink using a piezoelectric device. Means for detecting the condition are described.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
According to the technology related to the above-mentioned patent application, the residual generated due to the residual vibration of the vibration part of the piezoelectric device between the case where ink exists in the space facing the vibration part of the piezoelectric device and the case where ink does not exist. The remaining amount of ink in the ink cartridge can be monitored by utilizing the change in the resonance frequency of the vibration signal.
[0009]
However, in the conventional technique, it is difficult to accurately detect the time when the ink runs out because the resonance frequency when ink does not exist in the space facing the vibrating portion of the piezoelectric device is not known in advance.
[0010]
The present invention has been made in consideration of the above-described circumstances, and provides an ink cartridge capable of monitoring the amount of ink in the ink cartridge with high reliability and an ink jet recording apparatus including the ink cartridge. Objective.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problems, the present invention provides an ink container for storing ink in an ink cartridge of a recording apparatus that performs recording with ink, and In order to detect the consumption state of the ink, it is attached to the ink container, A vibration part having at least a part thereof exposed in the ink storage space of the ink container, and a function of receiving the drive signal to vibrate the vibration part and a back electromotive force generated according to the vibration state of the vibration part Before mounting the piezoelectric device having a function of outputting a signal and the ink cartridge on the main body of the recording device, the vibration portion of the piezoelectric device is isolated from the ink in the ink containing space, and the ink cartridge is And vibrating portion isolating means for bringing the vibrating portion of the piezoelectric device into contact with ink in the ink containing space when the recording device is attached to the main body.
[0012]
Preferably, the ink container is formed with an ink supply port into which an ink supply needle of the main body of the recording apparatus is inserted when the ink cartridge is mounted on the main body of the recording apparatus. The separating means engages with the ink supply needle inserted into the ink supply port and moves together with the ink supply needle, and covers the vibrating portion of the piezoelectric device from the ink in the ink containing space. A tape member that isolates the vibration portion, and the tape member is pulled by the movable body that engages and moves with the ink supply needle when the ink cartridge is mounted on the main body of the recording apparatus. The covering of the vibration part by the tape member is released.
[0013]
Also, In a reference example of the present invention, Preferably, when the ink cartridge is attached to the main body of the recording apparatus, the vibration by the vibration part isolating means passes through a first position before the vibration part is covered by the vibration part isolating means. The ink cartridge is moved to a second position where the ink cartridge is mounted on the main body of the recording apparatus, and the piezoelectric device and the main body of the recording apparatus are moved at the first and second positions. Are electrically connected, and in the first and second positions, a residual vibration signal output from the piezoelectric device after supplying a drive signal to the piezoelectric device to vibrate the vibration unit is It is transmitted to the main body of the recording apparatus.
[0014]
In order to solve the above-described problems, an ink jet recording apparatus according to the present invention includes any one of the above ink cartridges, a recording apparatus main body on which the ink cartridge is mounted, and the ink cartridge based on an output signal from the piezoelectric device. And a liquid level determining means for determining the liquid level of the ink inside.
[0015]
In order to solve the above problems, the present invention Reference example The ink jet recording apparatus according to the present invention includes an ink cartridge that can drive the piezoelectric device at the first and second positions, a recording apparatus main body to which the ink cartridge is mounted, and the ink based on an output signal from the piezoelectric device. A liquid level determination unit that determines a liquid level of ink in the cartridge, and the liquid level determination unit supplies a drive signal to the piezoelectric device at the first position to vibrate the vibration unit. Based on the residual vibration signal output from the piezoelectric device due to the residual vibration of the vibration part, the resonance frequency of the residual vibration signal in a state where the ink is not in contact with the vibration part is measured as an initial resonance frequency. And storing the drive signal to the piezoelectric device at the second position to cause the vibration unit to vibrate after the vibration of the vibration unit. When the resonance frequency of the residual vibration signal output from the piezoelectric device substantially coincides with the initial resonance frequency, it is determined that the ink level in the ink container has dropped beyond the installation position of the vibration portion. It is characterized by.
[0016]
Also, In a reference example of the present invention, Preferably, the liquid level determination means is the same as the initial resonance frequency measured at the first position when the ink cartridge is mounted on the recording apparatus main body, and when the ink cartridge is mounted on the recording apparatus main body. In comparison with the resonance frequency measured at the second position, if there is no significant change between them, it is determined that the liquid level detecting device is abnormal.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an ink cartridge and an ink jet recording apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a carriage. The carriage 1 is guided by a guide member 4 through a timing belt 3 driven by a carriage motor 2 and is reciprocated in the axial direction of the platen 5. .
[0018]
An ink jet recording head is mounted on the side of the carriage 1 that faces the recording paper 6, and an ink cartridge 7 that supplies ink to the recording head is detachably mounted thereon.
[0019]
A cap member 31 is disposed at a home position (right side in the figure) which is a non-printing area of the recording apparatus. When the recording head mounted on the carriage 1 moves to the home position, the cap member 31 performs recording. It is configured to be pressed against the nozzle forming surface of the head to form a sealed space with the nozzle forming surface. A pump unit 10 is disposed below the cap member 31 for applying a negative pressure to the sealed space formed by the cap member 31 to perform cleaning or the like.
[0020]
A wiping means 11 having an elastic plate such as rubber is disposed in the vicinity of the print area side of the cap member 31 so as to be able to advance and retreat in the horizontal direction with respect to the movement trajectory of the recording head. When reciprocating to the cap member 31 side, the nozzle forming surface of the recording head can be wiped off as necessary.
[0021]
2 and 3 show details and an equivalent circuit of the actuator 106 as a piezoelectric device used in the present embodiment. The actuator 106 detects a change in acoustic impedance by detecting a resonance frequency due to residual vibration, and detects a consumption state of the liquid in the ink container.
[0022]
FIG. 2A is an enlarged plan view of the actuator 106. FIG. 2B shows a BB cross section of the actuator 106. FIG. 2C shows a CC cross section of the actuator 106. 3A and 3B show an equivalent circuit of the actuator 106. FIG. 3C and 3D show the periphery including the actuator 106 and its equivalent circuit when the ink is filled in the ink cartridge, respectively, and FIGS. 3E and 3F. ) Shows the periphery including the actuator 106 and its equivalent circuit when there is no ink in the ink cartridge.
[0023]
The actuator 106 includes a substrate 178 having a circular opening 161 at substantially the center, a vibration plate 176 disposed on one surface (hereinafter referred to as “surface”) of the substrate 178 so as to cover the opening 161, and a vibration. Piezoelectric layer 160 disposed on the surface side of plate 176, upper electrode 164 and lower electrode 166 sandwiching piezoelectric layer 160 from both sides, upper electrode terminal 168 electrically coupled to upper electrode 164, and lower electrode 166 It has a lower electrode terminal 170 that is electrically coupled, and an auxiliary electrode 172 that is disposed between the upper electrode 164 and the upper electrode terminal 168 and electrically couples them.
[0024]
The piezoelectric layer 160, the upper electrode 164, and the lower electrode 166 have circular portions as their main parts. The circular portions of the piezoelectric layer 160, the upper electrode 164, and the lower electrode 166 form a piezoelectric element.
[0025]
The diaphragm 176 is formed on the surface of the substrate 178 so as to cover the opening 161. The cavity 162 is formed by the portion of the diaphragm 176 that faces the opening 161 and the opening 161 of the substrate (cavity forming member) 178. The surface of the substrate 178 opposite to the piezoelectric element (hereinafter referred to as “back surface”) faces the inside of the ink container. Thereby, the cavity 162 is configured to come into contact with the liquid (ink). Note that the diaphragm 176 is liquid-tightly attached to the substrate 178 so that the liquid does not leak to the surface side of the substrate 178 even if the liquid enters the cavity 162.
[0026]
The lower electrode 166 is located on the surface of the diaphragm 176. The center of the circular portion which is the main part of the lower electrode 166 and the center of the opening 161 are attached so as to substantially coincide. The area of the circular portion of the lower electrode 166 is set to be smaller than the area of the opening 161.
[0027]
On the other hand, on the surface side of the lower electrode 166, the piezoelectric layer 160 is disposed and formed so that the center of the circular portion and the center of the opening 161 substantially coincide. In this case, the area of the circular portion of the piezoelectric layer 160 is set to be smaller than the area of the opening 161 and larger than the area of the circular portion of the lower electrode 166.
[0028]
On the surface side of the piezoelectric layer 160, the upper electrode 164 is arranged and formed so that the center of the circular portion which is the main part thereof substantially coincides with the center of the opening 161. The area of the circular portion of the upper electrode 164 is set to be smaller than the area of the circular portion of the opening 161 and the piezoelectric layer 160 and larger than the area of the circular portion of the lower electrode 166.
[0029]
Therefore, the main part of the piezoelectric layer 160 has a structure sandwiched between the main part of the upper electrode 164 and the main part of the lower electrode 166 from the front surface side and the back surface side, respectively. Thereby, the piezoelectric layer 160 can be effectively deformed and driven. The circular portions that are the main parts of the piezoelectric layer 160, the upper electrode 164, and the lower electrode 166 form a piezoelectric element in the actuator 106.
[0030]
As described above, this piezoelectric element is in contact with the diaphragm 176. Of the circular portion of the upper electrode 164, the circular portion of the piezoelectric layer 160, the circular portion of the lower electrode 166, and the opening 161, the opening 161 has the largest area. Due to such a structure, the vibration region (vibration portion region) of the diaphragm 176 that actually vibrates is determined by the opening 161.
[0031]
Further, since the areas of the circular portion of the upper electrode 164, the circular portion of the piezoelectric layer 160, and the circular portion of the lower electrode 166 are smaller than the area of the opening 161, the vibration plate 176 is more likely to vibrate.
[0032]
Furthermore, of the circular portion of the lower electrode 166 and the circular portion of the upper electrode 164 that are electrically connected to the piezoelectric layer 160, the circular portion of the lower electrode 166 is smaller. Accordingly, the circular portion of the lower terminal 166 determines a portion of the piezoelectric layer 160 that generates a piezoelectric effect.
[0033]
The centers of the circular portions of the piezoelectric layer 160, the upper electrode 164, and the lower electrode 166 that form the piezoelectric element substantially coincide with the center of the opening 161. In addition, the center of the circular opening 161 that determines the vibration portion of the diaphragm 176 is located substantially at the center of the entire actuator 106. Therefore, the center of the vibration part of the actuator 106 substantially coincides with the center of the actuator.
[0034]
Furthermore, since the main part of the piezoelectric element and the vibration part of the vibration plate 176 have a circular shape, the vibration part of the actuator 106 is symmetric with respect to the center of the actuator 106.
[0035]
Thus, since the vibration part of the actuator 106 has a symmetrical shape with respect to the center of the actuator 106, unnecessary vibration that may be caused by the asymmetry of the structure is not excited. For this reason, the detection accuracy of the resonance frequency is improved.
[0036]
In addition, since the vibration part has an isotropic shape, it is hardly affected by variations in fixation during bonding, and can be evenly bonded to the ink container. That is, the mountability of the actuator 106 to the ink container is good.
[0037]
Furthermore, since the compliance of the diaphragm 176 is large, the attenuation of vibration is reduced, and the accuracy of detecting the resonance frequency can be improved.
[0038]
The vibration node of the actuator 106 is located in the outer peripheral portion of the cavity 162, that is, in the vicinity of the edge of the opening 161.
[0039]
The upper electrode terminal 168 is formed on the surface side of the diaphragm 176 so as to be electrically connected to the upper electrode 164 through the auxiliary electrode 172. On the other hand, the lower electrode terminal 170 is formed on the surface side of the diaphragm 176 so as to be electrically connected to the lower electrode 166. Since the upper electrode 164 is formed on the surface side of the piezoelectric layer 160, it is necessary to have a step equal to the sum of the thickness of the piezoelectric layer 160 and the thickness of the lower electrode 166 in the middle of connection with the upper electrode terminal 168. It is difficult to form this step with the upper electrode 164 alone. Even if it is possible to form a step with only the upper electrode 164, the connection state between the upper electrode 164 and the upper electrode terminal 168 is weakened and there is a risk of disconnection. Therefore, the upper electrode 164 and the upper electrode terminal 168 are connected using the auxiliary electrode 172 as an auxiliary member. By doing so, the piezoelectric layer 160 and the upper electrode 164 are both supported by the auxiliary electrode 172, so that a desired mechanical strength can be obtained, and the connection between the upper electrode 164 and the upper electrode terminal 168 can be achieved. It is possible to ensure.
[0040]
The vibration region facing the piezoelectric element in the piezoelectric element and the diaphragm 176 is a vibration part that actually vibrates in the actuator 106. Moreover, it is preferable that the members included in the actuator 106 are integrally formed by firing each other. By integrally forming the actuator 106, the handling of the actuator 106 becomes easy.
[0041]
Further, the vibration characteristics can be improved by increasing the strength of the substrate 178. That is, by increasing the strength of the substrate 178, only the vibration portion of the actuator 106 vibrates, and portions other than the vibration portion of the actuator 106 do not vibrate. In order not to vibrate parts other than the vibration part of the actuator 106, in addition to increasing the strength of the substrate 178, it is also effective to make the piezoelectric element of the actuator 106 thinner and smaller and to make the diaphragm 176 thinner. is there.
[0042]
As a material of the piezoelectric layer 160, it is preferable to use lead zirconate titanate (PZT), lead lanthanum zirconate titanate (PLZT), or a lead-less piezoelectric film that does not use lead. As a material for the substrate 178, zirconia or alumina is preferably used. Further, it is preferable to use the same material as the substrate 178 for the diaphragm 176. For the upper electrode 164, the lower electrode 166, the upper electrode terminal 168, and the lower electrode terminal 170, a conductive material, for example, a metal such as gold, silver, copper, platinum, aluminum, or nickel can be used.
[0043]
The actuator 106 shown in FIGS. 2 and 3 is mounted at a predetermined position of the ink container of the ink cartridge 7 so that the cavity 162 is in contact with the liquid (ink) accommodated in the ink container. That is, at least a part of the vibrating portion of the actuator 106 is exposed in the ink container housing space. When the liquid is sufficiently contained in the ink container, the inside of the cavity 162 and the outside thereof are filled with the liquid.
[0044]
On the other hand, when the liquid in the ink container is consumed and the liquid level drops below the mounting position of the actuator, there is no liquid in the cavity 162, or the liquid remains only in the cavity 162 and gas is present outside the cavity 162. Exists.
[0045]
The actuator 106 detects a difference in acoustic impedance caused by this change in state. Thereby, the actuator 106 can detect whether the liquid is sufficiently contained in the ink container or whether a certain amount of liquid is consumed.
[0046]
Next, the principle of liquid level detection by the actuator will be described.
The actuator 106 can detect the change in the acoustic impedance of the liquid using the change in the resonance frequency. The resonance frequency can be detected by measuring a counter electromotive force generated by residual vibration remaining in the vibration part after the vibration part of the actuator vibrates. That is, the piezoelectric element described above generates a counter electromotive force due to residual vibration remaining in the vibration part of the actuator. The magnitude of the back electromotive force varies depending on the amplitude of the vibration part of the actuator. Therefore, the larger the amplitude of the vibration part of the actuator, the easier the detection.
[0047]
Further, the period in which the magnitude of the back electromotive force changes depends on the frequency of residual vibration in the vibration part of the actuator. That is, the frequency of the vibration part of the actuator corresponds to the frequency of the counter electromotive force. Here, the resonance frequency is a frequency in a resonance state between the vibration part of the actuator and the medium in contact with the vibration part.
[0048]
The vibration region of the actuator 106 is a portion constituting the cavity 162 determined by the opening 161 of the vibration plate 176. When the liquid is sufficiently stored in the ink container, the cavity 162 is filled with the liquid, and the vibration region is in contact with the liquid in the ink container. On the other hand, when there is not enough liquid in the ink container, the vibration region is in contact with the liquid remaining in the cavity in the ink container, or is not in contact with the liquid but is in contact with gas or vacuum.
[0049]
Here, with reference to FIG. 2 and FIG. 3, the operation and principle of detecting the state of the liquid in the ink container from the resonance frequency of the medium obtained by measuring the back electromotive force and the vibration part of the actuator 106 will be described. .
[0050]
In the actuator 106, a voltage is applied to the upper electrode 164 and the lower electrode 166 via the upper electrode terminal 168 and the lower electrode terminal 170, respectively. For this reason, an electric field is generated in a portion of the piezoelectric layer 160 sandwiched between the upper electrode 164 and the lower electrode 166. The piezoelectric layer 160 is deformed by this electric field. When the piezoelectric layer 160 is deformed, the vibration region of the vibration plate 176 is flexibly vibrated. For a while after the piezoelectric layer 160 is deformed, the flexural vibration remains in the vibration portion of the actuator 106.
[0051]
The residual vibration is free vibration between the vibration part of the actuator 106 and the medium. Therefore, by setting the voltage applied to the piezoelectric layer 160 to a pulse waveform or a rectangular wave, it is possible to easily obtain a resonance state between the vibrating portion and the medium after the voltage is applied. Residual vibration is vibration of the vibration part of the actuator 106 and is accompanied by deformation of the piezoelectric layer 160. For this reason, the piezoelectric layer 160 generates a counter electromotive force. This counter electromotive force is detected through the upper electrode 164, the lower electrode 166, the upper electrode terminal 168 and the lower electrode terminal 170. The resonance frequency can be specified by the detected back electromotive force. Based on this resonance frequency, the presence or absence of liquid in the ink container can be detected.
[0052]
In general, the resonant frequency fs is
fs = 1 / (2 * π * (M * Cact) ^1/2 (Formula 1)
It is represented by Here, M is the sum of the inertance Mact and the additional inertance M ′ of the vibration part. Cact is the compliance of the vibration part.
[0053]
FIG. 2C is a cross-sectional view of the actuator 106 when no ink remains in the cavity 162 in the present embodiment. 3A and 3B are equivalent circuits of the vibrating portion of the actuator 106 and the cavity 162 when no ink remains in the cavity 162. FIG.
[0054]
Mact is obtained by dividing the product of the thickness of the vibration part and the density of the vibration part by the area of the vibration part. Specifically, as shown in FIG.
Mact = Mpzt + Melectrode1 + Melectrode2 + Mvib (Formula 2)
It is expressed.
[0055]
Here, Mpzt is obtained by dividing the product of the thickness of the piezoelectric layer 160 and the density of the piezoelectric layer 160 in the vibrating portion by the area of the piezoelectric layer 160. Melectrode1 is obtained by dividing the product of the thickness of the upper electrode 164 and the density of the upper electrode 164 in the vibrating portion by the area of the upper electrode 164. Melectrode2 is obtained by dividing the product of the thickness of the lower electrode 166 and the density of the lower electrode 166 in the vibrating portion by the area of the lower electrode 166. Mvib is obtained by dividing the product of the thickness of the diaphragm 176 and the density of the diaphragm 176 in the vibration section by the area of the vibration region of the diaphragm 176.
[0056]
However, the area of each of the vibration regions of the piezoelectric layer 160, the upper electrode 164, the lower electrode 166, and the diaphragm 176 can be calculated so that Mact can be calculated from the thickness, density, and area of the entire vibration part. Although having such a magnitude relationship, the difference in mutual area is preferably small.
[0057]
Moreover, in this embodiment, in the piezoelectric layer 160, the upper electrode 164, and the lower electrode 166, it is preferable that parts other than the circular part which is the main part are so small as to be negligible with respect to the main part. Accordingly, in the actuator 106, Mact is the sum of the inertances of the vibration regions of the upper electrode 164, the lower electrode 166, the piezoelectric layer 160 and the vibration plate 176. The compliance Cact is a compliance of a portion formed by the vibration region of the upper electrode 164, the lower electrode 166, the piezoelectric layer 160, and the vibration plate 176.
[0058]
3A, FIG. 3B, FIG. 3D, and FIG. 3F show equivalent circuits of the vibrating portion of the actuator 106 and the cavity 162. In these equivalent circuits, Cact is The compliance of the vibration part of the actuator 106 is shown. Cpzt, Celectrode1, Celectrode2, and Cvib indicate the compliance of the piezoelectric layer 160, the upper electrode 164, the lower electrode 166, and the diaphragm 176 in the vibrating part, respectively. Cact is expressed by Equation 3 below.
1 / Cact = (1 / Cpzt) + (1 / Celectrode1) + (1 / Celectrode2)
+ (1 / Cvib) (Formula 3)
From Equation 2 and Equation 3, FIG. 3A can also be expressed as FIG. 3B.
[0059]
The compliance Cact represents the volume of the medium that can be received by deformation when pressure is applied to the unit area. That is, the compliance Cact represents the ease of deformation.
[0060]
FIG. 3C is a cross-sectional view of the actuator 106 when the liquid is sufficiently contained in the ink container and the liquid is filled around the vibration region of the actuator 106. M′max in FIG. 3C is an additional inertance (additional mass (which affects the vibration of the vibration region) when the liquid is sufficiently contained in the ink container and the liquid is filled around the vibration region of the actuator 106. Mass)) divided by the square of the area). M'max is
M'max = (π * ρ / (2 * k ^Three )) * (2 * (2 * k * a) ^Three / (3 * π)) / (π * a ² ) ² (Formula 4)
(A is the radius of the vibration part, ρ is the density of the medium, and k is the wave number.)
It is represented by
[0061]
Equation 4 is established when the vibration region of the actuator 106 is a circle having a radius a. The additional inertance M ′ is an amount indicating that the mass of the vibration part is apparently increased by the medium in the vicinity of the vibration part. As can be seen from Equation 4, M′max varies greatly depending on the radius a of the vibrating part and the density ρ of the medium.
[0062]
Wave number k is
k = 2 * π * fact / c (Formula 5)
(Fact is the resonance frequency of the vibration part. C is the speed of sound propagating through the medium.)
It is represented by
[0063]
FIG. 3D shows an equivalent circuit of the vibration part of the actuator 106 and the cavity 162 in the case of FIG. 3C in which the ink container is sufficiently filled with the liquid and the liquid is filled around the vibration region of the actuator 106. Indicates.
[0064]
FIG. 3E is a cross-sectional view of the actuator 106 when the liquid in the ink container is consumed and there is no liquid around the vibration region of the actuator 106, but the liquid remains in the cavity 162 of the actuator 106. Show.
[0065]
Expression 4 is an expression representing the maximum inertance M′max determined from the density ρ of the ink when the ink container is filled with the liquid. On the other hand, when the liquid in the ink container is consumed and the liquid remains in the cavity 162 and the liquid around the vibration region of the actuator 106 is replaced with gas or vacuum, the additional inertance M ′ is generally ,
M ′ = ρ * t / S (Formula 6)
(For more details, see Equation 8 below.) Here, t is the thickness of the medium involved in vibration. S is the area of the vibration region of the actuator 106. When the vibration region is a circle having a radius a, S = π * a2.
[0066]
Therefore, the additional inertance M ′ follows Formula 4 when the liquid is sufficiently stored in the ink container and the liquid is filled around the vibration region of the actuator 106. On the other hand, when the liquid is consumed and the liquid around the vibration region of the actuator 106 is replaced with gas or vacuum while the liquid remains in the cavity 162, Equation 6 is satisfied.
[0067]
Here, as shown in FIG. 3E, the liquid in the ink container is consumed and there is no liquid in the vicinity of the vibration region of the actuator 106, but the liquid remains in the cavity 162 of the actuator 106. The inertance M ′ is referred to as M′cav for the sake of convenience, and is distinguished from the additional inertance M′max when the periphery of the vibration region of the actuator 106 is filled with liquid.
[0068]
FIG. 3F shows the case of FIG. 3E in which the liquid in the ink container is consumed and there is no liquid around the vibration region of the actuator 106, but the liquid remains in the cavity 162 of the actuator 106. 3 shows an equivalent circuit of the vibrating portion of the actuator 106 and the cavity 162.
[0069]
Here, the parameters related to the state of the medium are the density ρ of the medium and the thickness t of the medium in Equation 6. When the liquid is sufficiently stored in the ink container, the liquid comes into contact with the vibrating portion of the actuator 106. On the other hand, when the liquid is not sufficiently stored in the ink container, the liquid remains in the cavity, or gas or vacuum comes into contact with the vibrating portion of the actuator 106. The additional inertance M′var in the process of shifting from M′max in FIG. 3C to M′cav in FIG. 3E is consumed depending on the liquid accommodation state in the ink container. It changes as the density ρ of the medium and the thickness t of the medium change. Thereby, the resonance frequency fs also changes. Therefore, the amount of liquid in the ink container can be detected by specifying the resonance frequency fs.
[0070]
Here, when t = d as shown in FIG. 3 (E), when M′cav is expressed using Equation 6, the cavity depth d is substituted into t in Equation 6,
M′cav = ρ * d / S (Formula 7)
It becomes.
[0071]
Further, if the medium is a different type of liquid, the density ρ varies depending on the composition, and therefore the additional inertance M ′ and the resonance frequency fs are different. Therefore, the type of liquid can be detected by specifying the resonance frequency fs.
[0072]
FIG. 4A is a graph showing the relationship between the amount of ink in the ink tank and the resonance frequency fs of the ink and the vibration part. Here, ink will be described as an example of liquid. The vertical axis represents the resonance frequency fs, and the horizontal axis represents the ink amount. When the ink composition is constant, the resonance frequency fs increases as the remaining ink amount decreases.
[0073]
When ink is sufficiently contained in the ink container and the ink is filled around the vibration region of the actuator 106, the maximum additional inertance M′max is a value expressed by Equation 4. On the other hand, when the ink is consumed and the ink remains in the cavity 162, but the ink is not filled around the vibration region of the actuator 106, the additional inertance M′var is expressed by Equation 6 based on the thickness t of the medium. Is calculated by Since t in Equation 6 is the thickness of the medium involved in vibration, d (see FIG. 2B) of the cavity 162 of the actuator 106 where ink remains is reduced, that is, the substrate 178 is made sufficiently thin. Thus, it is possible to detect a process in which ink is gradually consumed (see FIG. 3C). Here, tink is the thickness of the ink involved in vibration, and tink-max is the tink at M′max.
[0074]
For example, the actuator 106 is disposed substantially horizontally with respect to the ink level on the bottom surface of the ink cartridge. In this case, when the ink is consumed and the liquid level of the ink becomes equal to or less than the height of tink-max from the actuator 106, M′var gradually changes according to Equation 6, and the resonance frequency fs gradually changes according to Equation 1. Therefore, as long as the ink level is within the range t, the actuator 106 can gradually detect the ink consumption state.
[0075]
Alternatively, the actuator 106 may be disposed on the side wall of the ink cartridge substantially perpendicular to the ink level. In this case, when the ink is consumed and the ink level reaches the vibration region of the actuator 106, the additional inertance M ′ decreases as the water level decreases. As a result, the resonance frequency fs gradually increases according to Equation 1. Therefore, as long as the ink level is within the range of the diameter 2a of the cavity 162 (see FIG. 3C), the actuator 106 can gradually detect the ink consumption state.
[0076]
A curve X in FIG. 4A shows an ink tank when the cavity 162 of the actuator 106 disposed on the bottom surface is sufficiently shallow, or when the vibration region of the actuator 106 disposed on the side wall is sufficiently large or long. The relationship between the amount of ink accommodated in the ink and the resonance frequency fs of the ink and the vibration part is shown. It can be understood that the amount of ink in the ink tank decreases and the resonance frequency fs of the ink and the vibration part gradually changes.
[0077]
More specifically, the case where the process in which ink is gradually consumed can be detected refers to the case where both liquid and gas having different densities exist around the vibration region of the actuator 106 and are involved in vibration. It is. As the ink is gradually consumed, the medium involved in the vibration around the vibration region of the actuator 106 increases the gas while decreasing the liquid.
[0078]
For example, when the actuator 106 is disposed horizontally with respect to the ink surface and when tink is smaller than tink-max, the medium involved in the vibration of the actuator 106 includes both ink and gas. Therefore, using the area S of the vibration region of the actuator 106, the state of M′max or less in Equation 4 is expressed by the added mass of ink and gas.
M ′ = M′air + M′ink = ρair * tair / S + ρink * tink / S (Formula 8)
It becomes. Here, M′air is an inertance of air, and M′ink is an inertance of ink. ρair is the density of air, and ρink is the density of ink. tair is the thickness of air involved in vibration, and tink is the thickness of ink involved in vibration.
[0079]
Among the media involved in the vibration around the vibration region of the actuator 106, as the liquid decreases and the gas increases, the tair increases when the actuator 106 is arranged substantially horizontally with respect to the ink surface. Tink decreases. Thereby, M′var gradually decreases and the resonance frequency gradually increases. Therefore, it is possible to detect the amount of ink remaining in the ink tank or the amount of ink consumed. The reason why only the liquid density is calculated in Expression 7 is that it is assumed that the air density is negligibly small relative to the liquid density.
[0080]
In the case where the actuator 106 is disposed substantially perpendicular to the ink liquid level, the medium that is involved in the vibration of the actuator 106 is the ink only area and the medium that is involved in the vibration of the actuator 106 among the vibration areas of the actuator 106. It is considered as an equivalent circuit (not shown) in parallel with the gas-only region. If the medium related to the vibration of the actuator 106 is Sink and the area of the medium only related to the vibration of the actuator 106 is Sair, then Sair.
1 / M ′ = 1 / M′air + 1 / M′ink = Sair / (ρair * tair) + Sink / (ρink * tink) (Formula 9)
It becomes.
[0081]
Equation 9 is applied when ink is not held in the cavity of the actuator 106. The additional inertance when ink is held in the cavity of the actuator 106 can be calculated by the sum of M ′ according to Equation 9 and M′cav according to Equation 7.
[0082]
Since the vibration of the actuator 106 changes from the depth of tink-max to the depth d where ink remains, the actuator 106 is disposed on the bottom surface so that the ink remaining depth is slightly smaller than tink-max. In this case, it is not possible to detect a process in which the ink gradually decreases. In this case, it is detected that the ink amount has changed from the vibration change of the actuator due to a slight change in the ink amount from tink-max to the remaining depth d. Also, when the diameter of the opening (cavity) is small, the vibration change of the actuator while passing through the opening is small, so it is difficult to detect the ink amount in the passing process, and the ink liquid level is Detect whether it is above or below the opening.
[0083]
For example, the curve Y in FIG. 4A shows the relationship between the amount of ink in the ink tank and the resonance frequency fs of the ink and the vibration part in the case of a small circular vibration region. A state is shown in which the resonance frequency fs of the ink and the vibration part changes drastically between the difference Q of the ink amount before and after the ink level in the ink tank passes through the mounting position of the actuator. From this, it is possible to binaryly detect whether or not a predetermined amount of ink remains in the ink tank.
[0084]
The method of detecting the presence / absence of liquid using the actuator 106 detects the presence / absence of ink by the diaphragm 176 coming into direct contact with the liquid, and therefore has higher detection accuracy than the method of calculating the ink consumption by software. . Furthermore, the method of detecting the presence or absence of ink by conductivity using an electrode can be affected by the position of the electrode attached to the ink container and the type of ink, but the method of detecting the presence or absence of liquid using the actuator 106 is Insensitive to the attachment position of the actuator 106 to the ink container and the type of ink.
[0085]
Furthermore, since both oscillation and detection of the presence / absence of liquid can be performed using a single actuator 106, compared with a method in which oscillation and detection of the presence / absence of liquid are performed using different sensors. The number of sensors attached to the ink container can be reduced. Therefore, an ink container having a liquid amount detection function can be manufactured at low cost. In addition, it is preferable that the sound generated during the operation of the actuator 106 is made quiet by setting the vibration frequency of the piezoelectric layer 160 in a non-audible region.
[0086]
FIG. 4B shows an example of the relationship between the ink density and the resonance frequency fs of the ink and the vibration part. Here, ink is described as an example of a liquid, and “ink full” and “ink empty” (or “no ink”) mean two relative states, so-called ink full state and ink end state. It doesn't mean. As shown in FIG. 4B, when the ink density is high, the additional inertance increases, and therefore the resonance frequency fs decreases. That is, the resonance frequency fs varies depending on the type of ink. Therefore, by measuring the resonance frequency fs, it is possible to confirm whether or not inks having different densities are mixed when refilling the ink. That is, it is possible to identify ink tanks containing different types of ink.
[0087]
Subsequently, the conditions under which the liquid state can be accurately detected when the size and shape of the cavity are set so that the liquid remains in the cavity 162 of the actuator 106 even when the liquid in the ink container is empty. Detailed description. If the actuator 106 can detect the liquid state when the cavity 162 is filled with the liquid, the actuator 106 can detect the liquid state even when the cavity 162 is not filled with the liquid.
[0088]
The resonance frequency fs is a function of the inertance M. The inertance M is the sum of the inertance Mact and the additional inertance M ′ of the vibration part. Here, the additional inertance M ′ is related to the liquid state. The additional inertance M ′ is an amount indicating that the mass of the vibration part is apparently increased by the medium in the vicinity of the vibration part. That is, it means an increase in the mass of the vibration part due to apparent absorption of the medium by the vibration of the vibration part (inertance related to vibration increases).
[0089]
Therefore, when M′cav is larger than M′max in Equation 4, all of the apparently absorbed medium is the liquid remaining in the cavity 162. Therefore, it is the same as the state where the ink container is filled with the liquid. In this case, since the medium related to vibration does not become smaller than M′max, a change cannot be detected even if ink is consumed.
[0090]
On the other hand, when M′cav is smaller than M′max in Equation 4, the medium that apparently absorbs is the liquid remaining in the cavity 162 and the gas or vacuum in the ink container. At this time, unlike the state in which the ink container is filled with liquid, M ′ changes, so the resonance frequency fs changes. Therefore, the actuator 106 can detect the state of the liquid in the ink container.
[0091]
That is, when the liquid in the ink container is empty and the liquid remains in the cavity 162 of the actuator 106, the condition that the actuator 106 can accurately detect the liquid state is that M'cav is higher than M'max. It is small. Note that the condition M′max> M′cav that allows the actuator 106 to accurately detect the liquid state is not related to the shape of the cavity 162.
[0092]
Here, M′cav is the mass inertance of the liquid having a volume approximately equal to the volume of the cavity 162. Therefore, from the inequality of M′max> M′cav, the condition under which the actuator 106 can accurately detect the liquid state can be expressed as the condition of the capacity of the cavity 162. For example, when the radius of the opening 161 of the circular cavity 162 is a and the depth of the cavity 162 is d,
M′max> ρ * d / πa ² (Formula 10)
It is. Expanding Equation 10
a / d> 3 * π / 8 (Formula 11)
This condition is required. Therefore, if the actuator 106 has the cavity 162 having the radius a of the opening 161 and the depth d of the cavity 162 satisfying Expression 11, the liquid in the ink container is empty, and the liquid is contained in the cavity 162. Even if it remains, the liquid state can be detected without malfunction.
[0093]
Expressions 10 and 11 are valid only when the shape of the cavity 162 is circular. If the shape of the cavity 162 is not circular, the corresponding M′max equation is used and πa in Equation 10 is used. ² Can be calculated by substituting for the area, and the relationship between the dimension such as the width and length of the cavity and the depth can be derived.
[0094]
Note that since the additional inertance M ′ also affects the acoustic impedance characteristic, it can be said that the method of measuring the counter electromotive force generated in the actuator 106 due to residual vibration detects at least a change in acoustic impedance.
[0095]
5A and 5B show a waveform of residual vibration of the actuator 106 and a method for measuring the residual vibration after the drive signal is supplied to the actuator 106 to vibrate the vibration part. The upper and lower levels of the ink level at the mounting position level of the actuator 106 in the ink cartridge can be detected by a change in the frequency or amplitude of the residual vibration after the actuator 106 oscillates. 5A and 5B, the vertical axis indicates the voltage of the counter electromotive force generated by the residual vibration of the actuator 106, and the horizontal axis indicates time. The residual vibration of the actuator 106 generates a voltage analog signal waveform as shown in FIGS. 5 (A) and 5 (B). Next, the analog signal is converted (binarized) into a digital numerical value corresponding to the frequency of the signal. In the example shown in FIGS. 5 (A) and 5 (B), the time when four pulses from the fourth pulse to the eighth pulse of the analog signal are generated is measured.
[0096]
More specifically, after the actuator 106 oscillates, the number of times that a predetermined reference voltage set in advance is crossed from the low voltage side to the high voltage side is counted. Then, a digital signal is generated with High between 4 counts and 8 counts, and the time from 4 counts to 8 counts is measured by a predetermined clock pulse.
[0097]
FIG. 5A shows a waveform when the ink level is higher than the mounting position level of the actuator 106. On the other hand, FIG. 5B shows a waveform when there is no ink at the mounting position level of the actuator 106. Comparing FIG. 5A and FIG. 5B, it can be seen that FIG. 5A has a longer time from 4 to 8 counts than FIG. 5B. In other words, the required time from 4 counts to 8 counts varies depending on the presence or absence of ink. The consumption state of ink can be detected using the difference in the required time.
[0098]
The reason for counting from the fourth count of the analog waveform is to start measurement after the vibration of the actuator 106 is stabilized. The count from the fourth count is merely an example, and the count may be counted from an arbitrary count. Here, signals from the 4th count to the 8th count are detected, and the time from the 4th count to the 8th count is measured by a predetermined clock pulse. Based on this time, the resonance frequency can be determined. The clock pulse does not need to be measured until the eighth count, and may be counted up to an arbitrary count. In FIG. 5, the time from the 4th count to the 8th count is measured, but the time within different count intervals may be detected according to the circuit configuration for detecting the frequency.
[0099]
For example, when the ink quality is stable and the fluctuation of the peak amplitude is small, the resonance frequency may be obtained by detecting the time from the 4th count to the 6th count in order to increase the detection speed. . When the ink quality is unstable and the fluctuation of the pulse amplitude is large, the time from the 4th count to the 12th count may be detected in order to accurately detect the residual vibration.
[0100]
FIG. 6 is a perspective view showing a configuration in which the actuator 106 is integrally formed as the mounting module body 100. The module body 100 is mounted at a predetermined location of the ink container 1 of the ink cartridge. The module body 100 is configured to detect the consumption state of the liquid in the container 1 by detecting a change in at least the acoustic impedance in the ink liquid.
[0101]
The module body 100 according to the present embodiment includes an ink container attachment portion 101 for attaching the actuator 106 to the ink container 1. The ink container mounting portion 101 includes a base 102 having a substantially rectangular plane, and a cylindrical portion 116 on the base 102 that houses an actuator 106 that oscillates in response to a drive signal. The module body 100 is configured such that the actuator 106 of the module body 100 cannot be contacted from the outside when the module body 100 is attached to the ink cartridge. Thereby, the actuator 106 can be protected from external contact. The leading edge of the cylindrical portion 116 is rounded so that it can be easily fitted into a hole formed in the ink cartridge.
[0102]
FIG. 7 is an exploded view of the module body 100 shown in FIG. The module body 100 includes an ink container mounting portion 101 made of resin, and a piezoelectric device mounting portion 105 (see FIG. 6) having a plate 110 and a recess 113. Further, the module body 100 includes lead wires 104a and 104b, an actuator 106, and a film 108. Preferably, the plate 110 is made of a material that hardly rusts, such as stainless steel or a stainless alloy.
[0103]
The cylindrical portion 116 and the base 102 included in the ink container mounting portion 101 have an opening 114 formed at the center so that the lead wires 104a and 104b can be accommodated, and accommodate the actuator 106, the film 108, and the plate 110. A recess 113 is formed around the opening 114 so that it can be formed.
[0104]
The actuator 106 is joined to the plate 110 via the film 108, and the plate 110 and the actuator 106 are fixed to the recess 113 (ink container mounting portion 101). Accordingly, the lead wires 104 a and 104 b, the actuator 106, the film 108, and the plate 110 are attached to the ink container attaching portion 101 as a unit.
[0105]
The lead wires 104a and 104b are coupled to the upper electrode and the lower electrode of the actuator 106, respectively, and transmit a drive signal to the piezoelectric layer, while transmitting a resonance frequency signal detected by the actuator 106 to a recording device or the like.
[0106]
The actuator 106 oscillates temporarily based on the drive signal transmitted from the lead wires 104a and 104b. Further, the actuator 106 vibrates residually after oscillation, and generates back electromotive force by the vibration. At this time, the resonance frequency corresponding to the liquid consumption state in the ink container can be detected by detecting the vibration period of the back electromotive force waveform.
[0107]
The film 108 adheres the actuator 106 and the plate 110 to make the actuator liquid-tight. The film 108 is preferably formed of polyolefin or the like and bonded by heat fusion. When the actuator 106 and the plate 110 are bonded and fixed in a planar shape by the film 108, there is no variation depending on the bonding location, and portions other than the vibrating portion do not vibrate. Therefore, even if the actuator 106 is bonded to the plate 110, the vibration characteristics of the actuator 106 do not change.
[0108]
The plate 110 has a circular shape, and the opening 114 of the base 102 is formed in a cylindrical shape. The actuator 106 and the film 108 are formed in a rectangular shape. The lead wires 104 a and 104 b, the actuator 106, the film 108, and the plate 110 may be detachable from the base 102. The base 102, the lead wires 104 a and 104 b, the actuator 106, the film 108, and the plate 110 are disposed symmetrically with respect to the central axis of the module body 100. The centers of the base 102, the actuator 106, the film 108, and the plate 110 are disposed on the substantially central axis of the module body 100.
[0109]
Further, the area of the opening 114 of the base 102 is formed larger than the area of the vibration region of the actuator 106. A through hole 112 is formed at a position facing the vibration portion of the actuator 106 at the center of the plate 110. As shown in FIGS. 2 and 3, the actuator 106 is formed with a cavity 162, and the through hole 112 and the cavity 162 together form an ink reservoir. The thickness of the plate 110 is preferably smaller than the diameter of the through hole 112 in order to reduce the influence of residual ink. For example, it is preferable that the depth of the through hole 112 is not more than one third of the diameter. The through-hole 112 has a substantially perfect circular shape that is symmetric with respect to the central axis of the module body 100. Further, the area of the through hole 112 is larger than the opening area of the cavity 162 of the actuator 106. The peripheral edge of the cross section of the through hole 112 may be tapered or stepped.
[0110]
The module body 100 is mounted on the side, top, or bottom of the ink container 1 so that the through hole 112 faces the inside of the ink container 1. When the ink is consumed and the ink around the actuator 106 is used up, a change in the ink level can be detected based on a large change in the resonance frequency of the actuator 106.
[0111]
FIG. 8 is a cross-sectional view of the vicinity of the bottom of the ink container 20 when the module body 100 shown in FIG. 6 is attached to the ink container 20 of the ink cartridge 7. The module body 100 is mounted in a through hole formed in the side wall of the ink container 20. An O-ring 90 is provided on the joint surface between the side wall of the ink container 20 and the module body 100, and the module body 100 and the ink container 20 are kept liquid-tight. Since the O-ring 90 can be sealed as described above, the module body 100 preferably includes a cylindrical portion as described with reference to FIG.
[0112]
When the tip of the module body 100 is exposed to the inside of the ink container 20, the ink in the ink container 20 comes into contact with the actuator 106 through the through hole 112 of the plate 110. Since the resonance frequency of the residual vibration of the actuator 106 differs depending on whether the periphery of the vibration part of the actuator 106 is liquid or gas, the ink consumption state can be detected using the module body 100.
[0113]
FIG. 9 is a diagram showing a system configuration of main parts of the ink jet recording apparatus according to the present embodiment. As described above, an actuator (piezoelectric device) 106 is mounted on the ink cartridge 7, and this actuator 106 has a vibration section that can expose at least a part of the ink storage space of the ink cartridge 7 and receives a drive signal. And a function of outputting a back electromotive force signal corresponding to a vibration state of the vibration part.
[0114]
The control device main body 200 includes a computer that controls the ink jet recording apparatus. The control device main body 200 may be provided in the ink jet recording apparatus, or some or all of the functions of the control device main body 200 are provided in an external device such as another computer connected to the ink jet recording apparatus. May be. Furthermore, some functions of the control device main body 200 may be stored as a program in a recording medium 203 such as a compact disc and supplied via an input device 204 such as a drive device.
[0115]
The control device main body 200 includes a liquid level determination unit 201 having a liquid level determination unit 202 and an abnormality determination unit 205. The liquid level determination unit 202 of the liquid level determination unit 201 resonates the residual vibration signal output from the actuator 106 due to the residual vibration of the vibration unit after the drive signal is supplied to the actuator 106 to vibrate the vibration unit. The ink level in the ink cartridge 7 is determined based on the frequency. The liquid level determination unit 202 measures, for example, the number of pulses in the residual vibration signal and measures the time required from the start of counting the number of pulses to the time when a predetermined number of pulses are counted, thereby determining the residual vibration. Measure the resonant frequency of the signal. For example, the ink level of the ink cartridge 7 can be determined by the liquid level determination unit 202.
[0116]
The liquid level determination unit 202 of the liquid level determination unit 201 may be used when there is no liquid in the cavity 162 as shown in FIG. 2C and only when the cavity 162 is as shown in FIG. First, using the fact that the resonance frequency of the residual vibration signal changes when the front is filled with liquid, it is determined whether the ink liquid level has passed the position of the vibration part of the piezoelectric device 106. can do.
[0117]
The control device main body 200 further includes a printing operation control unit 207 that controls the printing operation unit 206, a print data storage unit 208, and a consumption information presentation unit 209. The consumption information presentation unit 209 presents the consumption state information detected by the liquid level determination unit 201 to the user using the display 210 and the speaker 211. For example, a graphic or the like indicating the consumption state is displayed on the display 210, and a notification sound or synthesized sound indicating the remaining ink amount is output from the speaker 211. An appropriate operation may be guided by the synthesized voice.
[0118]
The consumption state may be presented in response to a user request. Moreover, it may be periodically presented at an appropriate interval. Also, it may be presented when an appropriate event occurs, for example, an event such as the start of printing. Alternatively, it may be automatically presented when the remaining ink amount reaches a predetermined threshold (for example, a threshold corresponding to ink end).
[0119]
Next, with reference to FIG. 10 and FIG. 11, the vibration part isolation | separation means of the liquid level detection apparatus in this embodiment is demonstrated.
[0120]
The vibration part isolating means is attached to the ink cartridge 7, and before the start of use of the ink cartridge 7, the vibration part of the actuator (piezoelectric device) 106 is isolated from the ink in the ink storage space, and the ink cartridge 7 is attached to the cartridge holder. At this time, the vibration part of the actuator 106 is released from the ink in the ink storage space and brought into contact with the ink.
[0121]
As shown in FIG. 10, the vibration part isolating means 60 covers the moving body 61 that moves together with the ink supply needle 40 by engaging with the ink supply needle 40 inserted into the ink supply port 21 and the vibration part of the actuator 106. And a tape member 62 that isolates the vibration part from the ink in the ink containing space. A portion on one end side of the tape member 62 is bonded to the inner surface of the ink container 20 of the ink cartridge 7 so as to cover the vibration portion, and the other end of the tape member 62 is fixed to the moving body 61. The tape member 62 is guided by a tape guide 63.
[0122]
As shown in FIG. 11, the moving body 61 includes an annular member 64 and three elongated engagement members 65 protruding from the lower surface of the annular member 64. The tip portion 66 of the ink supply is curved inward to receive the tip of the ink supply needle 40. Three through holes 67 are formed in the annular member 64, and as shown in FIG. 10, three support bars 68 standing on the bottom surface of the ink container 20 are inserted into the respective through holes 67, and the support bars A vertical movement of the moving body 61 is guided by 68.
[0123]
Then, when the ink cartridge 7 is mounted on the cartridge holder, the tape member 62 is pulled by the moving body 61 that moves upward by engaging with the ink supply needle 40, and the tape member 62 covers the vibrating portion of the piezoelectric device 106. Is released. At that time, the stopper portion 69 formed at one end of the tape member 62 is configured to be caught by the tape guide 63.
[0124]
FIG. 12 schematically shows a state immediately before the ink cartridge 7 is mounted on the cartridge holder 50 formed on the carriage 1 of the recording apparatus, and FIG. 13 shows the mounting of the ink cartridge 7 on the cartridge holder 50. The state after having been shown is shown typically. In general, a plurality of ink cartridges 7 are mounted in a cartridge holder 50 (hereinafter also simply referred to as “holder”) disposed in the carriage 1, and FIG. 12 shows one of the cartridges 7. Show.
[0125]
The ink storage space in the cartridge 7 is filled with ink, and the ink can be led out from the ink supply port 21 formed in the lower bottom portion of the cartridge 7.
[0126]
The cartridge 7 is provided with a pair of electrode terminals (or electrode terminal groups) 22 and 23 as access terminals for the piezoelectric device 106. These access electrode terminals 22 and 23 are arranged on the outer surface of the cartridge 7 on a surface substantially parallel to the insertion direction of the cartridge 7 with respect to the holder 50, and are located at different positions along the insertion direction. That is, they are arranged in a state slightly separated in the vertical direction in FIG.
[0127]
The first electrode terminal 22 connected to the piezoelectric device 106 is in a first position before the covering of the vibration portion of the piezoelectric device 106 by the tape member 62 is released when the cartridge 7 is inserted into the holder 50. In the position shown in FIG. 12, the contact terminal (or contact terminal group) 51 disposed on the inner wall of the holder 50 is provided at a position where it comes into contact.
[0128]
Further, the second electrode terminal 22 connected to the piezoelectric device 106 reaches the second position where the covering of the vibrating portion by the tape member 62 is released and the ink cartridge 7 is mounted on the holder 50, that is, As shown in FIG. 13, when the ink supply needle 40 is sufficiently inserted into the ink supply port 21 and ink is supplied to the recording apparatus side, the contact terminal 51 disposed on the holder 50 side and It is provided at a position where it contacts.
[0129]
With such a configuration, the piezoelectric device 106 and the control device main body 200 are electrically connected at the first and second positions, and the liquid level determination means 201 of the control device main body 200 is connected to the piezoelectric device at the first position. Based on the residual vibration signal output from the piezoelectric device 106 due to the residual vibration of the vibration part after the drive signal is supplied to the vibration part to vibrate the vibration part, the ink is not in contact with the vibration part. The resonance frequency of the residual vibration signal is measured and stored as the initial resonance frequency.
[0130]
Further, the liquid level determination means 201 outputs a residual vibration signal output from the piezoelectric device 106 due to the residual vibration of the vibration unit after supplying the drive signal to the piezoelectric device 106 at the second position to vibrate the vibration unit. Is substantially equal to the initial resonance frequency, it is determined that the ink level in the ink container 20 of the ink cartridge 7 has dropped beyond the installation position of the vibrating portion.
[0131]
In addition, the holder 50 is provided with a lock mechanism 52 that can temporarily prevent further insertion while the cartridge 7 is inserted into the first position. In a state where the cartridge 7 is locked at the first position by the lock mechanism 52, the piezoelectric device 106 connected to the control device main body 200 is driven via the first electrode terminal 22 to measure the initial resonance frequency. When the measurement of the initial resonance frequency is completed, the lock mechanism 52 is retracted by a command signal from the control device main body 200. As a result, the cartridge 7 is moved to a second position where ink can be supplied as shown in FIG. be able to.
[0132]
The liquid level determination means 201 has a function of determining normality / abnormality of the piezoelectric device 106 of the ink cartridge 7, and when the ink cartridge 7 is inserted into the holder 50 as shown in FIG. 14 (step 1). First, the piezoelectric device 106 is operated at the first position to measure the initial resonance frequency (step 2), and then the piezoelectric device 106 is operated at the second position to measure the resonance frequency (step 3). Then, the initial resonance frequency at the first position is compared with the resonance frequency at the second position to determine whether or not the frequency has changed (step 4), and if there is no significant change between the two, Then, it is determined that there is an abnormality in the liquid level detection device, and a warning is displayed on the display 210 and the speaker 211 (step 5). On the other hand, if a significant change is observed between the two frequencies, it is determined that the liquid level detection device is functioning normally (step 6).
[0133]
As described above, the initial resonance frequency is measured and stored in a state where the ink is not in contact with the vibrating portion of the piezoelectric device 106, and the resonance frequency changed with the consumption of the ink is compared with the initial resonance frequency. Since the ink amount is determined in this way, the ink amount in the ink container 20 of the ink cartridge 7 can be monitored with high reliability. For example, by disposing the piezoelectric device 106 near the bottom surface of the ink container 20, it can be used as a highly reliable ink end sensor.
[0134]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the initial resonance frequency in a state where the ink is not in contact with the vibrating portion of the piezoelectric device can be measured in advance. By comparing with the resonance frequency, the amount of ink in the ink cartridge can be monitored with high reliability.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing a schematic configuration of an ink jet recording apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing details of a piezoelectric device (actuator) in an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing the periphery of the piezoelectric device shown in FIG. 2 and its equivalent circuit.
4 is a diagram showing the relationship between the resonance frequency of ink detected by the piezoelectric device shown in FIG. 2 and the density of ink. FIG.
FIG. 5 is a diagram showing a back electromotive force waveform of the piezoelectric device shown in FIG. 2;
6 is a perspective view showing a module body in which the piezoelectric device shown in FIG. 2 is incorporated. FIG.
7 is an exploded view showing a configuration of the module body shown in FIG. 6. FIG.
8 is a diagram showing an example of a cross section in which the module body shown in FIG. 6 is mounted on an ink container.
FIG. 9 is a diagram showing a system configuration of main parts of an ink jet recording apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 10 is an enlarged cross-sectional view of a vibration part isolating unit and its periphery of a liquid level detection device according to an embodiment of the present invention.
11 is a perspective view showing a moving body of the vibration part isolating means shown in FIG. 10;
FIG. 12 is a diagram schematically showing a state immediately before the ink cartridge is mounted on the cartridge holder of the ink jet recording apparatus according to the embodiment of the present invention.
FIG. 13 is a diagram schematically showing a state where an ink cartridge is mounted on a cartridge holder of the ink jet recording apparatus according to the embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a flowchart showing an abnormality determination process of a liquid level determination unit according to an embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
7 Ink cartridge
20 Ink container
21 Ink supply port
22, 23 Electrode terminal
40 Ink supply needle
51 Contact terminal
60 Vibrating part isolation means
61 Mobile
62 Tape members
63 Tape guide
106 Piezoelectric device (actuator)
200 Control body
201 Liquid level judgment means
202 Liquid level judgment unit
203 recording medium
205 Abnormality determination unit

Claims

In an ink cartridge of a recording apparatus that performs recording with ink,
An ink container for containing ink;
In order to detect the ink consumption state, the ink container has a vibration part that is attached to the ink container and at least a part of the ink container is exposed to the ink container, and receives the drive signal to vibrate the vibration part. A piezoelectric device having a function and a function of outputting a signal of a counter electromotive force generated according to a vibration state of the vibration unit,
Before attaching the ink cartridge to the main body of the recording apparatus, the vibration portion of the piezoelectric device is isolated from the ink in the ink containing space, and when the ink cartridge is attached to the main body of the recording apparatus, An ink cartridge comprising: vibration part isolating means for bringing the vibration part of the piezoelectric device into contact with ink in the ink containing space.

The ink container is formed with an ink supply port into which an ink supply needle of the main body of the recording apparatus is inserted when the ink cartridge is mounted on the main body of the recording apparatus.
The vibration part isolating means includes a moving body that engages with the ink supply needle inserted into the ink supply port and moves together with the ink supply needle, and covers the vibration part of the piezoelectric device and covers the vibration part in the ink containing space. A tape member for isolating the vibrating portion from the ink of the recording medium, and the tape member is moved by the moving body that engages and moves with the ink supply needle when the ink cartridge is attached to the main body of the recording apparatus. The ink cartridge according to claim 1, wherein the vibration member is uncovered by the tape member by being pulled.

An ink cartridge according to claim 1 or 2 ,
A recording apparatus main body to which the ink cartridge is mounted;
An ink jet recording apparatus comprising: a liquid level determination unit that determines a liquid level of ink in the ink cartridge based on an output signal from the piezoelectric device.