JP2010036388A - 液滴量測定方法およびこれを搭載した液滴吐出システム - Google Patents

Abstract

【課題】液滴吐出手段から吐出された種々の形状を有する液滴の体積を効率的に観測するシステムを提供する。
【解決手段】液滴吐出手段から吐出された液滴長さの異なる複数の液滴の飛翔画像を取得し、各々の画像について二値化閾値を掃引することにより算出した液滴量曲線と、重量取得手段によって測定した液滴量とが等価となる閾値を算出した後、複数の液滴長さと該閾値との間に導出した閾値曲線によって、種々の飛翔形状を有する液滴の画像解析における二値化閾値を最適化する。
【選択図】図２

Description

本発明は、インクジェット式記録ヘッド等の液体吐出手段から吐出された液滴の吐出量を測定する方法に関するものである。

近年、インクジェット技術における印刷の高精細化と高速化が要求されている。これらの技術は、インクジェット式記録ヘッドにおける液滴吐出ノズルの高密度化、微細化、乃至はヘッド駆動波形による液滴の微小化技術等に基づいている。一方、製品評価時におけるインクジェット式記録ヘッドの特性として、高位な印刷品質を確保するためには液滴の飛翔速度や吐出量等の各ノズルに対する特性を適宜測定しなければならない。なぜなら、これらの特性はヘッドの製造工程におけるノズル毎の寸法のばらつき等に依存し、印刷時の液滴着地位置ずれや印刷濃度ムラ等の品質に直接的な影響を与えるためである。したがって、ノズルの高密度化にともなうノズル数の増大によって製品評価時の測定時間の増大が問題となっているのである。

従来から、液滴速度に関しては、液滴が吐出するタイミングに同期させてＬＥＤ等の光源を断続的に発光させることにより断続的に撮像した画像における液滴の位置と撮像時の発光タイミングにもとづいて、短時間で高精度に測定可能な方法が知られている（例えば、非特許文献１を参照）。

一方、液滴の吐出量に関しては、比較的高精度に測定可能である液滴積算法が用いられてきた。すなわち、一滴の液滴吐出量を測定するために、１ノズルにつき複数回液滴を吐出させて容器に収集し、それを重量計等で測定する方法、あるいはヘッドに接続したインク供給容器側のインク減少量を重量計等で測定する方法である。

しかしながら、測定対象である液滴が数ｎｇ（１０^−９ｇ）程度であることに対して、一般に市販されている高精度の重量計の分解能は１×１０^−５ｇ程度であるため、高精度に液滴重量を測定するためには１ノズルにつき数万乃至数十万発程度積算しなければならず、多数集積した各ノズルに対して重量測定を行う場合に多大な時間を要してしまうという問題があった。

さらなる問題は、前述したインクジェット式記録装置による印刷物の高画質化の要求にともない、例えば特許文献１のように、前記圧電素子駆動信号パルス波形の制御によって吐出される液滴を微小化する試みが行われているが、このような試みの場合、各ノズルから吐出される液滴の飛翔形状や液滴量は各ノズルに対する特性のばらつきにもとづいて多岐に渡ることが通常である。一方、高品位な印刷を得るためには前記波形の変化に対する液滴の飛翔特性を各ノズルに対して測定する必要があるため、前述の液滴積算法と合わせて測定に膨大な時間を費やしてしまうという問題があった。

この問題に対して、液滴量を効率的に測定する方法として、以下の４例に示すような方法が開示されている。

例えば、特許文献２によれば、インクジェット式記録ヘッドのノズルから移動式の透明基材上に液滴を吐出し、着弾後の液滴径を基材下部に設置した光源からの透過光としてライン型あるいはエリア型のＣＣＤセンサで読み取り、予め測定しておいた液滴径と液滴量の相関関係から液滴量を算出するという方法である。

また、特許文献３によれば、吐出された液滴を回転対称体とみなし、撮像した画像データから回転中心軸、および回転半径を測定し、それを先端から終端まで積分して算出するという方法である。

あるいは、参考文献４によれば、吐出された液滴が等速運動に至った状態における液滴の速度を観測し、それをストークスの法則にもとづいた関係式より液滴半径を導出し、それによって体積を算出するという方法である。すなわち、具体的な基礎式は、
Ｃｄ＝Ｆｄ／（πｒ^２・ρｖ^２／２）・・・（式１）
Ｆｄ＝６πμｒｖ・・・（式２）
Ｒｅ＝２ｒρｖ／μ・・・（式３）
Ｃｄ＝Ｃｄ（Ｒｅ）・・・（式４）
ｍ（ｄｖ／ｄｔ）＝ｍｇ−Ｆｄ＝０・・・（式５）
ｍ＝（４／３）ρπｒ^３・・・（式６）
となる。上記の式１〜式６において、Ｃｄは球体状粒子における抵抗係数、Ｆｄは前記球体状粒子に作用する抵抗力、ｒは粒子半径、ρは粒子を形成する流体の密度、ｖは粒子が等速運動に至った後の終末速度、μは粒子周囲の気体の粘度、ｍは粒子の質量、ｔは時間、ｇは重力加速度、πが円周率、Ｒｅは気体中における液滴粒子の運動に関するレイノルズ数である。

ただし、式４における抵抗係数Ｃｄとレイノルズ数Ｒｅの関数は、一般的にＲｅ≦（０．１〜１０）の領域については、
Ｃｄ＝２４／Ｒｅ・・・（式７）
であり、Ｒｅ≦１０００の領域については、例えば非特許文献２に記載のＬａｐｐｌｅの相関式によれば、
Ｃｄ＝（２４／Ｒｅ）・（１＋０．１２５Ｒｅ^０．７２）・・・（式８）
と示されることが知られている。したがって、Ｃｄ、Ｆｄ、Ｒｅ、ｍ、ｒ、ｖについて式１〜式６を解けば、液滴半径ｒが求まり、これによって液滴量が求まるという方法である。

あるいは、特許文献５によれば、吐出された液滴が等速運動するまでの２箇所、望ましくは減速程度の大きい吐出直後の２箇所における液滴速度を観測し、それをストークスの法則を考慮した運動方程式から求めた液滴半径から液滴体積を算出するというものである。すなわち、具体的な基礎式は、
ｄｖ／ｄｔ＋ｋｖ＝ｇ・・・（式９）
ｋ≡６πμｒ／ｍ・・・（式１０）
ｍ＝（４／３）ρπｒ^３・・・（式１１）
となる。また、式９の一般解ｖ＝ｖ（ｔ）は、Ｃを定数とすると、
ｖ＝ｇ／ｋ＋Ｃ・ｅｘｐ（−ｋｔ）・・・（式１２）
である。上記の式９〜式１２において、ｖは等速運動に至るまでの液滴速度、ｋは式１０で示される変数、それ以外の記号であるｇ、ｍ、μ、ｒ、π、ρについては式１〜式６と同様である。したがって、液滴吐出後の２箇所における時刻ｔ＝ｔ１、ｔ２と各時刻における液滴速度ｖ＝ｖ１、ｖ２を測定し、これらを式１２に代入して連立させれば、定数Ｃとｋが求まり、さらに式１０と式１１から質量ｍを消去すれば液滴半径ｒが求まり、これによって液滴量が求まるという方法である。

特許第３２７５９６５号公報 特開２００５−２３８７８７号公報 特開１９９３−１４９７６９号公報 特開２００３−０２８６９６号公報 特開２００７−１０７９３３号公報 甘利武司監修「インクジェットプリンター技術と材料」シーエムシー出版、１９９８年発行、Ｐ．４１〜５２ 浅野康一著「物質移動の基礎と応用」丸善、２００４年発行、Ｐ．１１５〜１１６

しかしながら、前記特許文献２に示される方法の場合、液滴の基材に対する接触角は基材表面の表面粗さや表面エネルギーのムラに影響を受けるために、基材全面に対して常に一定とはならず、算出すべき液滴量にばらつきを生じさせるという問題があった。

また、前記特許文献３に示される方法の場合、液滴の画像を認識する場合の輪郭を抽出する方法に問題があった。すなわち、撮像された液滴のサイズは画像の輝度に依存するため、照明の強度によって取得するサイズに誤差が生じるというものである。また、液滴の飛翔形状がごく安定している場合は、安定した輝度水準を持つ画像を取得することが可能であるが、一般的には、液滴が高速で飛翔する場合には液滴が柱上に伸長した形状で飛翔し、撮像した液滴の画像に輝度のムラが生じるため、正確に液滴の輝度レベルを取得することが困難であるという問題があった。

また、前記特許文献４に示される方法の場合、液滴が等速運動をするまでに５０〜７０ｍｍ程度の距離を費やすことが示されている。この飛翔距離を進む間に液滴は表面張力により球形状に変形するため、球体粒子に対するストークスの法則によって液滴量を算出できると記載されている。しかしながら、現実的には、測定する液滴の直径は２０μｍ程度、体積は数ｐｌ程度であるため、等速となる終末速度ｖは液滴を水、周囲の雰囲気を空気とした場合、水の密度ρ＝１０００ｋｇ／ｍ^３ 、空気の粘度μ＝１．８×１０^−５Ｐａ・ｓであり、式１〜６によればｖ＝１２ｍｍ／ｓ程度となる。したがって、装置周囲を覆ったのち、温度湿度をコントロールしなければ、周囲環境の影響を大きく受けてしまうため、精度良く測定することが困難であり、測定装置および調整が煩雑化するという問題があった。

また、前記特許文献５に示される方法の場合、液滴が等速運動をするまでの間に２点あるいは複数点の液滴速度を観測し、それをストークスの法則にもとづいた運動方程式からなる連立方程式を解いて液滴速度を導出する方法であるが、式１１に示したように、この方法は液滴が球形状であることが前提である。すなわち、特許文献４のように十分時間が経過して、表面張力によって液滴が球形状となった場合は好適である方法であると言える。しかしながら、一般的にインクジェット式記録ヘッドから吐出された直後の液滴は、球形状（図９（ａ）を参照）だけでなく、あるいは複数の液滴に分離した形状（図９（ｂ）を参照）や、その粘性によって柱状に伸びた形状（図９（ｃ）を参照）など様々な形状で飛翔するため、液滴半径ｒと質量ｍの関係は当然未知である。ゆえに、この方法においては種々な飛翔形状を有する液滴量を算出することが困難であるという問題があった。

本発明は、上記の問題を鑑み、種々の形状を持つ液滴の液滴量を効率的に測定する方法、およびこれを搭載した液滴吐出システムおよびこれを搭載した液滴吐出システムを提供することを目的とするものである。

前記目的を達成するため本発明の第１の手段は、インク加圧室と、該加圧室に取り付けられた加圧室内圧力可変手段と、該圧力可変手段により液滴を吐出するノズル開口部とから構成されたノズルを複数集積してなるインクジェット式記録ヘッドから吐出される液滴量を測定する液滴量測定方法において、
前記液滴の液滴長さが異なる複数の液滴の飛翔特性を取得する第一の工程と、各々の前記画像について二値化閾値の輝度水準を掃引することによって液滴量曲線を算出する第二の工程と、前記液滴量曲線と重量取得手段によって測定した液滴量とが等価となる閾値を算出する第三の工程と、複数の液滴長さに対する閾値曲線を算出する第四の工程と、前記閾値曲線にもとづいて最適閾値を算出し、液滴量を導出する第五の工程とを有することを特徴とするものである。

本発明の第２の手段は前記第１の手段において、前記第一の工程は、１ノズルあるいは複数のノズル（ｎ）に対して、前記圧力可変手段の強度を複数（ｍ）の水準数掃引することによって、飛翔する液滴の液滴長さと、吐出量と、画像データとを取得するものであることを特徴とするものである。

本発明の第３の手段は前記第１の手段において、前記第二の工程は、二値化閾値における輝度水準の最小分解能毎に取得した液滴画像を解析するか、あるいは前記分解能を補間処理手段によって複数の区間に分割し、前記分解能を擬似的に高めた後に前記画像を解析するか、あるいは前記分解能を適当数に間引いた後、近似式により補間処理を行うことによって液滴量曲線を算出するものであることを特徴とするものである。

本発明の第４の手段は前記第１の手段において、前記第四の工程は、１ノズルあるいは複数のノズル（ｎ）に対して、前記圧力可変手段の強度を複数（ｍ）の水準数掃引することによって取得した（ｎ×ｍ）個のデータを１次式、あるいは多項式等の近似式により近似することによって閾値曲線を算出するものであることを特徴とするものである。

本発明の第５の手段は液滴量測定プログラムにおいて、前記第１乃至第４の手段の閾値最適化方法を搭載することによって、最適閾値を算出することを特徴とするものである。

本発明の第６の手段は液滴吐出システムにおいて、前記第５の手段の液滴量測定プログラムを搭載することを特徴とするものである。

本発明の第７の手段は前記第６の手段の液滴吐出システムは、インクジェット式記録ヘッド特性評価装置、あるいはインクジェット式記録ヘッド特性補正装置、あるいはインクジェット式記録ヘッド駆動波形最適化装置、あるいはインクジェット式記録装置であることを特徴とするものである。

本発明による液滴量測定方法は、従来の液滴画像処理方法における液滴寸法の検出精度を向上する効果があり、また、種々の飛翔形状を持つ液滴量の解析を可能とするものであるから、インクジェット式記録ヘッド等における多数集積してなる各ノズルに対する液滴の飛翔特性を短時間に測定できるという効果がある。

さらに、本方法にもとづく前記プログラムを搭載したインクジェット式記録装置等の液滴吐出システムを構成することにより、インクジェット式記録ヘッド等の液滴吐出手段における液滴飛翔特性を測定する、さらには該ヘッドを選別する、あるいは該特性の補正を実施することによって、高品位な印刷を実施できるという効果がある。

以下に、図２に示すフロー図にもとづき、本発明に係る液滴量測定方法および液滴吐出システムについて説明する。
［工程１］液滴特性取得工程
閾値曲線を求めるための１ノズル、あるいは複数（ｎ）の代表ノズル、および複数の電圧水準（ｍ）の駆動電圧Ｖ＝Ｖ（ｎ、ｍ）に対する請求項２に記載の液滴の特性、すなわち、飛翔速度ｖ、液滴長さＬ、液滴重量ｗｒを測定する。このとき、飛翔速度ｖ＝ｖ（ｎ、ｍ）と液滴長さＬ＝Ｌ（ｎ、ｍ）に関しては、取得した飛翔画像内のノイズが液滴に影響を及ぼさない程度の二値化閾値ｂ＝ｂ０とした場合に、前者は飛翔液滴先端部の画素における飛翔方向の位置座標を、吐出から画像取得までの時間間隔ｔｄで除した値であり、後者は液滴先端から終端までの画素をカウントした値に１画素あたりの寸法を乗じた距離として定義されるものであり、ともに画像処理によって算出される。また、測定時の液滴位置は通常のインクジェット式記録装置におけるヘッドと印刷媒体間の間隙１ｍｍ程度に設定することが好適である。

一方、液滴重量に関しては、任意に設定した吐出回数分積算した重量ｗｒ＝ｗｒ（ｎ、ｍ）を重量測定装置によって測定する。
［工程２］液滴量曲線算出工程
続いて、取得した原画像に対して、二値化閾値ｂをｂｍｉｎからｂｍａｘまで掃引した場合における複数枚の画像データＤ＝Ｄ（ｎ、ｍ、ｂ）を取得する。掃引時の前記閾値ｂに対して得られた該データＤの液滴部に相当する画素を、液滴先端から終端まで積分することによって液滴体積を算出する。これに液滴密度を乗じることによって得られる液滴重量ｗｉについて、前記閾値ｂに対する液滴量曲線ｗｉ＝ｗｉ（ｎ、ｍ、ｂ）を算出する。

なお、この曲線は図３に示すように、横軸に閾値ｂ、縦軸に液滴体積（単位：ｐｌ）を設定した２軸上の曲線として示されるものである。該曲線は飛翔する液滴の輝度水準にともなって漸増したのち、二値化閾値水準が液滴以外の観測領域における輝度水準に漸近するにつれて急激に増加することを意味している。

また、請求項３に記載の方法によって、工程１において取得した画像データＤを輝度水準毎に呼び出して液滴体積を算出してもよいし、あるいはより高精度に求めるならば各輝度水準をさらに複数の区間に分割、補間処理した上で液滴体積を算出してもよい。
［工程３］液滴量等価閾値算出工程
工程１において求めた液滴量ｗｒと、工程２において求めた液滴量曲線ｗｉが等価となるときの閾値ｂ＝ｂ（ｎ、ｍ）が図３における液滴量等価閾値算出補助線９０２によって算出される。これにより、前記特許文献３の課題であった、照明の強度によって生じる画像データ上における液滴の大きさのばらつきを低減することが可能となる。
［工程４］閾値曲線算出工程
工程１〜工程３を複数（ｎ）の代表ノズル、および複数（ｍ）の駆動電圧に対して繰り返すことによって求めたｎ×ｍ個からなる前記液滴長さＬと前記閾値ｂとの関係を前記請求項４に記載の近似曲線ｂ＝ｂ（Ｌ）によって補間する。これにより、前記特許文献３の課題に示したストロボ等の光源によって撮像した液滴長さの異なる液滴画像データに発生する液滴画素における輝度水準のばらつきを低減することが可能となる。
［工程５］最適閾値算出工程
測定対象ノズルに対して、工程１と同様に液滴長さＬを算出した後、前記工程４によって算出した閾値曲線ｂ＝ｂ（Ｌ）にもとづいて閾値ｂを算出する。すなわちこれにより、前記特許文献４、および特許文献５の課題であった、複数のノズルより吐出される液滴の形状が球形状である限定がなされることなく、種々の形状を有する液滴の吐出量を短時間に測定することが可能となる。

以上、工程１〜５が本発明における閾値最適化工程であるが、これらは前記請求項５に示したように、任意のプログラム言語にて処理工程を記述することによって自動化することが好適である。

さらには、前記請求項６に示したように前記方法を搭載したシステムを構築することが好適である。

さらには、前記請求項７に示したように、前記方法を全ノズルに対して適用するインクジェット式記録ヘッド特性評価装置や、前記方法により算出した液滴量をインク加圧室内圧力可変手段にフィードバックすることによって該圧力可変量を補正するインクジェット式記録ヘッド特性補正装置や、前記液滴量を駆動波形生成手段にフィードバックすることによって印刷に最適な特性を有する波形を生成するためのインクジェット式記録ヘッド駆動波形最適化装置や、上述の装置を搭載したインクジェット式記録装置を構築することが好適である。

以下、本発明の実施の形態を、図を参考にしながら具体的に説明する。

まず、以下にインクジェット式記録ヘッド、およびインクジェット式記録装置の概要について説明する。図１０は、本発明の実施例において使用したインクジェット式記録装置の構成と動作を説明する装置構成図であり、図１１は記録ヘッドの構造と動作を説明する部分斜視図である。

インクジェット式記録装置はインクジェット式記録ヘッド１０とインクジェット式記録ヘッド駆動装置２０とを備える。さらに、インクジェット式記録ヘッド１０はインク流路ユニット１０１と、該ユニットを保持するヘッドハウジング１０２、および圧電素子ユニット１０３とから構成される。このうち、インク流路ユニット１０１は、図１１に示すように、オリフィス板１３０、インク流路形成板１４２、ダイヤフラム形成板１２２がこの順に貼り付けられて構成される。

圧電素子ユニット１０３は棒状圧電素子１１０を櫛歯状に圧電素子支持基板１１３に固着して構成される。該構造により、記録ヘッド１０には、ｎ個のノズルが構成される。各ノズルは、図１１のオリフィス板１３０に所定ピッチで列状に配置したｎ個のノズル開口部１３１を開口としている。そして、ノズル開口１３１を開口端とするインク加圧室１４０、このインク加圧室１４０にインクを供給するインク流入口１４５、該インク流入口１４５にインクを供給する共通インク室１５０で構成される。また、ダイヤフラム形成板１２２の貼り付けにより、インク加圧室１４０の少なくとも１壁面はダイヤフラム１２０で形成される。そして、ダイヤフラム１２０のインク加圧室１４０と反対面には、圧電素子ユニット１０３の棒状圧電素子１１０の一端が取り付けられている。すなわち、棒状圧電素子１１０の先端部がダイヤフラム１２０に突き当てられ、接着剤層を介してダイヤフラムに取り付けられている。各ノズルの構造は同一構造である。

各ノズル素子の棒状圧電素子１１０は、圧電素子支持基板１１３に接着等で取り付けられ圧電素子ユニット１０３を構成する。そして、圧電素子支持基板１１３の圧電素子配列方向の両側には柱状の圧電素子支持基板固定部１１４があり、その底面がインク流路ユニット１０１に接着等で固定される。一方、インク流路ユニット１０１は、前記接着固定部の近傍でヘッドハウジング１０２に接着固定されているため、圧電素子支持基板固定部１１４の底面がヘッドハウジング１０２に対して固定されていることになる。

なお、棒状圧電素子１１０は、図１１に示すように積層構造であり、複数の層状圧電素子１１１が層状電極１１２を介して積層されている。そして該層状電極１１２は、１つおきに棒状圧電素子の側面に形成された共通電極１１２１と個別電極１１２２に接続される。該共通電極１１２１と個別電極１１２２は圧電素子支持基盤１１３の上面に形成された共通電極１１２１と個別電極１１２２に接続され、さらにフレキシブルケーブル１６０のフレキシブルケーブル端子１６１に接続される。

以上の構造のインクジェット式記録ヘッド１０は、フレキシブルケーブル１６０を介して記録ヘッド駆動装置２０からの信号で駆動される。

記録ヘッド駆動装置２０は、記録データ信号作成回路３０２、圧電素子駆動データ信号作成回路３０３、圧電素子駆動スイッチング回路３０４、タイミング信号発生回路３０１、電素子駆動信号パルス発生回路３０５を備える。

例えば、パーソナルコンピュータ等の上位装置からの記録信号入力データに応じて、記録データ信号作成回路３０２で記録データ信号が作成され、該データ信号とタイミング信号発生回路３０１からのタイミング信号をもとに、圧電素子駆動データ信号作成回路３０３で圧電素子駆動データ信号が作成される。圧電素子駆動データ信号作成回路３０３は、圧電素子駆動スイッチング回路３０４のスイッチング素子３０４１を制御する。そして、該一個のスイッチング素子を介して圧電素子駆動信号パルス発生回路３０５に接続され、該スイッチング素子のＯＮ、ＯＦＦが、圧電素子駆動データ信号で制御されるスイッチング素子駆動回路３０４２により作動する。これにより各ノズルの圧電素子は圧電素子駆動信号パルスで駆動される。

本発明においては前記圧電素子駆動信号パルスを制御することにより、インクジェット式記録ヘッド１０のノズル開口部１３１から吐出された液滴３０の重量を効率的に得ることが目的となる。

一方、前述したように、従来からインクジェット式記録装置による印刷物の高画質化の要求にともない、前記圧電素子駆動信号パルス波形の制御により、吐出される通常サイズの液滴３０を微小化する試みが行われている。ここでいう通常サイズの液滴３０とは、図１２のような圧電素子駆動信号パルス波形において、そのパルス幅ＰＷが、ノズルのインク振動系ヘルムホルツ共振が起こるパルス幅に応じて設定されていることを特徴とする波形により吐出された液滴のことをあらわす。

前記特許文献１によれば、前記圧電素子駆動信号パルス波形は図１３の形状に示したように圧力発生室を収縮させて収縮状態としてノズル開口のメニスカスの中央領域をもりあげてノズル開口からインクを吐出させ始める収縮工程と、吐出され始めたインクの後端部の当該ノズル開口での速度が零になるまでに前記圧力発生室を膨張させて前記収縮工程によって中央領域がもりあげられたメニスカスの外縁部を引き込ませる膨張工程により吐出する液滴３０を微小化するというものである。

しかしながら、図１３のような微小化の試みによる波形は通常サイズの液滴を得るための波形に対して、タイミングおよび前記圧電素子駆動電圧に関するパラメータが２倍、あるいはそれ以上に増加してしまうのである。一方、各工程におけるタイミングと前記圧電素子駆動電圧の決定を行う場合、前記インクジェット式記録ヘッド１０を構成するインク流路ユニット１０１、圧電素子１１０、ノズル開口部１３１等の部材における製造上のばらつき、さらにはインクジェット式記録装置に用いられるインクの物性のばらつきを考慮すると、高品質な印刷を実施するためには、ヘッド、ノズル、インク、波形の多岐に渡る組み合わせに対して特性を測定しなければならない。したがって、液滴の飛翔特性、とりわけ液滴吐出量の測定に多大な時間を要するため、前記駆動信号パルス波形の設計に膨大な時間を要してしまうのである。

そこで、本発明者は液滴の吐出量を効率的に測定するために本発明を考案するに至り、以下のようにインクジェット式記録ヘッド特性観測装置を構成し、液滴量の測定を実施した。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではなく、測定対象物、および測定環境に応じて任意に装置を構成することができる。

まず、図１を参照しながら、以下に装置構成を説明する。該装置は、第一の系統である機構系統８０１と、第二の系統である制御系統８０２との２系統に分けられる。

第一の系統である機構系統８０１は、インクジェット式記録ヘッド１０と、該ヘッド１０から吐出された液滴３０と、液滴３０の飛翔画像を取得するための照明光源６０１と、拡大レンズ６０２と、光学式センサ６０３と、該ヘッドにインクを供給するためのインク供給源２０６と、インク供給管２０７と、吐出されたインクを収集するためのインク収集部材２０８と、該インク収集部２０８の重量を測定するための重量測定装置７０１と、該ヘッドにおけるノズル位置を選択するための可動式ステージ５０１から構成される。以下に該系統８０１の詳細な構成を説明する。

前記ヘッド１０には、リコープリンティングシステムズ社製圧電素子駆動式インクジェットヘッド（商品名：ＧＥＮ３Ｅ２、ノズル数：１２８）を用い、該ヘッドをノズル面が鉛直下向きとなるように、すなわち吐出された液滴３０が鉛直下向きに飛翔するように、前記ステージ５０１に取り付けられている。また、該ステージ５０１は、該ヘッド１０のノズル位置と前記センサ６０３の焦点位置を調整するためにＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動可能なものであり、それぞれステッピングモータによりボールねじを介して３軸に直動動作する構成である。

前記センサ６０３には、５倍程度の拡大レンズ６０２を取り付けた東芝テリー社製ＣＣＤ白黒カメラ（画素数：３８万画素）を用い、鉛直下向きに飛翔する液滴３０をセンサ６０３に対向する照明光源６０１に用いたＬＥＤの照明光によって、水平方向から画像を撮像する。以上の光学系により、前記ヘッド１０のノズル面から、インクジェット式記録装置におけるヘッドと印刷媒体間の間隙に相当する１ｍｍ程度の地点までの矩形領域を撮像する構成である。

前記重量測定装置７０１には、メトラー・トレド社製電子天秤（商品名：ＳＡＧ２８５高精度計量モジュール、最小表示単位：０．００００１ｇ）を用い、該装置上部に設置した飛翔する複数個の液滴３０を収集するインク収集部材２０８の重量を測定する構成である。

また、吐出する液滴３０のインクにはダウ・ケミカルズ社製トリプロピレングリコールメチルエーテル（商品名：ダワノールＴＰＭ、化学式：ＣＨ_３Ｏ（Ｃ_３Ｈ_６Ｏ）_３Ｈ、比重：１．０）を粘度１０ｍＰａ・ｓに調整したものを用いた。

次に、第二の系統である制御系統８０２は、前記ヘッド１０と前記照明光源６０１とを駆動する信号源３００と、該駆動信号源３００を構成する圧電素子駆動スイッチング回路３０４、圧電素子駆動信号パルス発生回路３０５、および圧電素子駆動信号パルス増幅回路３０６と、これらの駆動データを生成するための駆動データ生成回路３０３と、前記可動式ステージ５０１の動作を制御するためのステージ制御回路５０２と、前記カメラ６０３によって取得した画像データを市販のパーソナルコンピュータ等の情報処理装置４００に取り込むための画像データ取得回路４０４と、前記重量測定装置７０１によって取得した重量データを前記装置４００に取り込むための重量データ取得回路４０２と、前記画像データの液滴に相当する画素データにおける二値化閾値を掃引して液滴量曲線を算出するための液滴量曲線算出回路４０５と、前記液滴量曲線データと前記重量データから最適な閾値を算出するための最適閾値算出回路４０６と、前記装置４００に対して観測者がデータを入力するためのキーボード、マウス等のデータ入力部４０３と、前記装置４００によって算出した結果を出力するためのディスプレイ等のデータ表示部４０２と、上述したすべてのデータを前記装置４００内に保持するためのハードレィスク等のデータ記憶装置４０１とから構成される。また、上述の系統８０２は、本発明にもとづいて開発した液滴量測定プログラムによって制御する。以下に該系統８０２の詳細な構成を説明する。

ステージ制御回路５０２には、メレック社製ステッピングモータコントローラ（商品名：ＭＰＬ−１６）を用い、前記ステージ５０１を３方向に駆動する。

画像データ取得回路４０４には、サイバーテック社製フレームグラバーボード（商品名：ＣＴ−３０００Ａ）を用い、前記カメラ６０３による画像データを輝度水準８ビット２５６階調のグレースケール画像として取得する。

前記重量測定装置によって取得した重量データは、該装置に装備されたインターフェース部と、前記パーソナルコンピュータに装備されたＲＳ−２３２Ｃ通信ポートを接続することによって取得する。

ＭｉｃｒｏＳｏｆｔ社Ｗｉｎｄｏｗｓ（登録商標）上に構築した前記プログラム（コンパイラ：ボーランド社製Ｃ＋＋Ｂｕｉｌｄｅｒ）は、複数のウィンドウから構成され、ウィンドウ毎に駆動条件の設定と、ステージ移動条件の設定と、画像の取得条件、および表示条件の設定と、重量取得条件の設定の入力と、各処理命令の実行と、各処理の制御が可能である。また、該プログラムは、ＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体や、インターネット等のネットワークを通じて簡便に提供することができる。

次に、図２のフロー図を参照しながら、具体的な測定工程について以下に説明する。

［前工程］測定条件入力
本実施例における測定条件について、図４を参照しながら説明する。すなわち、前記電圧水準数９０７においてｍ＝３、各水準番号９０８に対する設定電圧９０９にＶ＝１６、１９、２２Ｖを入力する。また図示しないノズル選択部により、閾値を最適化するための代表ノズルｎ＝２（端部Ｎｏ．１ノズル、および中央部Ｎｏ．６４ノズル）を入力する。また、閾値曲線近似式設定部９１４にて前記閾値曲線を下記２次式で補間することとし、液滴吐出数設定部９１３にて前記重量測定装置７０１により重量を測定するときの液滴吐出数を６０万発に設定した。

ｂ＝ａ_２・Ｌ^２＋ａ_２・Ｌ＋ａ_０・・・（式１３）
ただし、ａ_２、ａ_２、ａ_０は係数、前述のようにｂは閾値、Ｌは液滴長さである。また、図７に示した画像表示部上において、図中の白い点線で示した矩形領域のサイズを変更し、解析する画像上にノイズ成分が乗らないように解析領域３１を設定し、二値化閾値の適当な初期値ｂ＝ｂ０を設定した。ただし、本例では、液滴部３０の輝度が白色（＝２５５）、それ以外の領域の輝度が黒色（＝０）となるよう色調を設定してある。本例では、前述した図３に示す液滴量曲線のように、該曲線が６０〜８０程度の閾値領域に対しては漸増するという傾向が分かっており、一方、飛翔する液滴は飛翔先端部と後端部の輝度水準が高いため、先端部の液滴速度と、先端部から後端部までの液滴長さを解析する上では、閾値が特に厳密である必要がない傾向が分かっているため、本例ではｂ０＝７０に設定した。

また、図７における画像について補足すると、画面左上の画素の位置座標を（ｘ、ｙ）＝（０、０）、右下の画素の位置座標を（ｘ、ｙ）＝（６４０、４８０）（単位：ｐｉｘ）ととり、右方向にｘ軸、下方向にｙ軸をとってある。また、該画像左側の白色部が前記ヘッド１０のノズル面を表し、点線矩形中の白色円形部が画面左側から右側（実際には、鉛直下向き）へ飛翔する途中の液滴３０を示すものである。

また、前記レンズの倍率調整後に、寸法校正手段によって取得画像１画素あたりのサイズｓ（単位：μｍ／ｐｉｘ）をあらかじめ補正しておいた。本例では該サイズｓ＝２．８μｍ／ｐｉｘである。

また、図示しない液滴吐出周波数設定部に該周波数５ｋＨｚを設定した。

［工程１］液滴特性取得工程
まず前記Ｎｏ．１ノズルにおける水準１の駆動電圧Ｖ（１、１）＝１６Ｖをヘッド３０に与えて液滴を吐出させた。前記重量測定装置７０１によって取得した一滴あたりの重量データｗｒ（１、１）＝１０．５ｎｇと、該液滴に対して画像処理によって算出した液滴長さＬ（１、１）＝２５．３μｍとを図４の液滴長さ表示部９１１と、液滴量等価閾値表示部９１２にそれぞれ表示した。該液滴長さＬは下式１４によって算出した。

Ｌ＝ｓ（ｘ_ｔ-ｘ_ｂ）／ｔ_ｄ・・・（式１４）
ただし、ｘ_ｔは液滴先端のｘ方向画素位置座標（ｐｉｘ）、ｘ_ｂは後端のｘ方向画素位置座標（ｐｉｘ）、ｔ_ｄは液滴吐出から画像取得までの時間間隔（本例では、ｔ_ｄ＝１２０μｓ）、およびｓは前記画素サイズ（μｍ／ｐｉｘ）である。

［工程２］液滴量曲線算出工程
工程１における重量取得処理と平行して、液滴飛翔画像データＤを取得し、図３に示したように、二値化閾値ｂを掃引閾値最小値設定部９０４であるｂｍｉｎ（＝６０）から掃引閾値最大値設定部９０６であるｂｍａｘ（＝１０７）まで水準を１ずつ掃引した場合の液滴飛翔画像データＤ＝Ｄ（１、１、ｂ）に対する液滴量曲線９０１を算出した。また該液滴量は下式１５によって算出した。

ｗｉ＝Σ_ｉ（ρ・ｓ・π（ｓ（ｙ_ｒ−ｙ_ｃ））^２）・・・（式１５）
ただし、ρは前記インク３０の密度、ｙ_ｒは各ｘ座標上における液滴外縁に相当するｙ方向画素位置座標（ｐｉｘ）、ｙ_ｃは各ｘ座標上における液滴中心軸上のｙ方向画素位置座標（ｐｉｘ）、ｉはｘ_ｔからｘ_ｂまでの各ｘ座標を示す添え字、πは円周率、それ以外の記号は上式１４と同様である。

［工程３］液滴量等価閾値算出工程
工程１によって取得した重量データｗｒと、工程２において取得した該曲線９０１の交点における閾値を液滴量等価閾値算出補助線９０２によって算出し、図４における液滴量等価閾値表示部９１２に閾値ｂ（１、１）＝８２として示した。

以上により、ｎ＝１、ｍ＝１におけるデータの取得が完了した。これと同様の処理をＮｏ．６４ノズル、およびｍ＝２、３に対して実施し、ｎ×ｍ＝６個の液滴長さＬと閾値ｂの関係を求めた。

［工程４］閾値曲線算出工程
該データを上式１３に適用し、最小二乗法によって各係数ａ_２、ａ_１、ａ_０を求めた結果を図５に示した。前述したように、液滴長さＬが増加するにともなって、すなわち図９（ｃ）に示すような柱状に液滴が伸長するにともなって、液滴の飛翔形状のばらつきにより液滴画素の輝度水準が低下する傾向がある。該傾向を図５に示すような近似曲線によって閾値ｂを補正することが本発明の特徴である。

［工程５］最適閾値算出工程
高品位な印刷を実現する上で、該ヘッド１０における各ノズルから飛翔する液滴量のばらつきを知ることが重要である。本発明にしたがって、各ノズルから吐出される液滴長さＬを解析し、工程４において算出した液滴長さLと二値化閾値ｂの関数である該閾値曲線によって、各ノズルから飛翔した種々の形状を持つ液滴に対する最適な閾値を算出した。さらに、該閾値によって二値化した画像データから上式１５によって各液滴の吐出量を算出した。１ノズルあたりの液滴量データを算出するための画像処理に要する時間に関しては、前記情報処理装置４００であるパーソナルコンピュータの性能に依存するものであるが、本例においては市販のＣＰＵ２ＧＨｚ、メモリ１ＧＢを有するコンピュータの場合、１秒程度で測定ができる。

［後工程］測定結果出力
図８は前記ヘッド３０の全ノズルに対して本発明を適用することによって液滴量データを取得し、グラフ９１６として表示した一例である。また、図８には、飛翔する液滴の特性である液滴速度（単位：ｍ／ｓ）、液滴飛翔時の曲がり程度（単位：ｄｅｇ）、リガメント（前述の液滴長さと同義、単位：μｍ）も同時に画像処理によって算出し、図中に示してある。

前述した従来の液滴積算法において５ｋＨｚで６０万発吐出した場合は、１ノズルの液滴量データ取得時間２分×１２８ノズル＝４時間要する。

一方、本発明の場合、前記閾値最適化処理に要する時間が２分×６データ＝１２分であり、画像処理によって求める１ノズルあたりの液適量データ取得時間１秒×１２８ノズル＝２分のため、計１４分で完了となる。

図６は本発明による液適量測定結果と、重量の実測値とを比較した一例である。両者は完全に一致するまではいかないが、おおよその一致は見られる。なお、測定精度に関しては、取得する画像輝度水準を電気的に細分化することや、前記ＣＣＤカメラの性能を適宜選択することによって改善が見込めるものである。

本発明は、上述した実施例におけるインクジェット式記録ヘッド特性観測装置に限定するものではなく、前記請求項７に記載した種々の液滴吐出システムへ適用することが可能である。

本発明の装置構成を説明するための図である。 本発明における液滴量測定方法を説明するためのフロー図である。 本発明の実施例における液滴量測定プログラム上に表示した液滴量曲線の一例を説明するための図である。 本発明の実施例における液滴量測定プログラム上に表示した閾値曲線の係数算出結果の一例を説明するための図である。 本発明の実施例における閾値曲線の一例を説明するための図である。 本発明の実施例における液滴量測定方法による液滴量算出結果と従来の液滴積算法による測定結果の一例を説明するための図である。 本発明の実施例における液滴量測定プログラム上に表示した液滴飛翔画像の一例を説明するための図である。 本発明の実施例における液滴量測定プログラム上に表示した液滴特性の測定結果の一例を説明するための図である。 （ａ）は本発明の実施例における球形状を示す飛翔液滴の一例を説明するための図、（ｂ）は本発明の実施例における２個の液滴に分離した形状を示す飛翔液滴の一例を説明するための図、（ｃ）は本発明の実施例における柱状に伸びた形状を示す飛翔液滴の一例を説明するための図である。 本発明の実施例におけるインクジェット式記録ヘッドとこれを用いた記録装置の構成を説明するための構成図である。 本発明の実施例におけるインクジェット式記録ヘッドの構造を説明するための構成図である。 本発明の実施例におけるインクジェット式記録ヘッドの圧電素子駆動信号パルス波形の一例を説明するための図である。 本発明の実施例におけるインクジェット式記録ヘッドの圧電素子駆動信号パルス波形の一例を説明するための図である。

符号の説明

１０ インクジェット式記録ヘッド
２０ インクジェット式記録ヘッド駆動装置
３０ 液滴
３１ 解析領域
４０ 記録媒体
１０１ インク流路ユニット
１０２ ヘッドハウジング
１０３ 圧電素子ユニット
１１０ 圧電素子
１１１ 層状圧電素子
１１２ 層状電極
１１２１ 共通電極
１１２２ 個別電極
１１３ 圧電素子支持基板
１１４ 圧電素子支持基板固定部
１２０ ダイヤフラム
１２２ ダイヤフラム形成板
１３０ オリフィス板
１３１ ノズル開口部
１４０ インク加圧室
１４２ インク流路形成板
１４５ インク流入孔
１５０ 共通インク室
１６０ フレキシブルケーブル
１６１ フレキシブルケーブル端子
２０１ 筐体
２０２ Ｘ軸直動ステージ
２０３ Ｙ軸直動ステージ
２０４ Ｚ軸直動ステージ
２０５ ヘッドベース
２０６ インク供給源
２０７ インク供給管
２０８ インク収集部材
３００ 駆動信号源
３０１ タイミング信号発生回路
３０２ 記録データ信号作成回路
３０３ 圧電素子駆動データ信号作成回路
３０４ 圧電素子駆動スイッチング回路
３０４１ スイッチング素子
３０４２ スイッチング素子駆動回路
３０５ 圧電素子駆動信号パルス発生回路
３０６ 圧電素子駆動信号パルス増幅回路
４００ 情報処理装置
４０１ データ記憶装置
４０２ データ表示装置
４０３ データ入力装置
４０４ 画像データ取得回路
４０５ 液滴量曲線算出回路
４０６ 最適閾値算出回路
５０１ 可動式ステージ
５０２ 可動式ステージ制御回路
６０１ 照明光源
６０２ 拡大レンズ
６０３ 光学式センサ
７０１ 重量測定装置
７０２ 重量データ取得回路
８０１ 機構系統
８０２ 制御系統
９０１ 液滴量曲線
９０２ 液滴量等価閾値算出補助線
９０３ 液滴量実測値
９０４ 掃引閾値最小値設定部
９０５ 液滴量等価閾値表示部
９０６ 掃引閾値最大値設定部
９０７ 電圧水準数設定部
９０８ 水準番号
９０９ 設定電圧設定部
９１０ 液滴重量実測値表示部
９１１ 液滴長さ表示部
９１２ 液滴量等価閾値表示部
９１３ 液滴吐出数設定部
９１４ 閾値曲線近似式設定部
９１５ 液滴飛翔特性取得データ表示部
９１６ 液滴速度・液滴重量特性グラフ

Claims (7)

1. インク加圧室と、該加圧室に取り付けられた加圧室内圧力可変手段と、該圧力可変手段により液滴を吐出するノズル開口部とから構成されたノズルを複数集積してなるインクジェット式記録ヘッドから吐出される液滴量を測定する液滴量測定方法において、
   前記液滴の液滴長さが異なる複数の液滴の飛翔特性を取得する第一の工程と、各々の前記画像について二値化閾値の輝度水準を掃引することによって液滴量曲線を算出する第二の工程と、前記液滴量曲線と重量取得手段によって測定した液滴量とが等価となる閾値を算出する第三の工程と、複数の液滴長さに対する閾値曲線を算出する第四の工程と、前記閾値曲線にもとづいて最適閾値を算出し、液滴量を導出する第五の工程とを有することを特徴とする液滴量測定方法。
2. 請求項１に記載の液滴量測定方法において、前記第一の工程は、１ノズルあるいは複数のノズル（ｎ）に対して、前記圧力可変手段の強度を複数（ｍ）の水準数掃引することによって、飛翔する液滴の液滴長さと、吐出量と、画像データとを取得するものであることを特徴とする液滴量測定方法。
3. 請求項１に記載の液滴量測定方法において、前記第二の工程は、二値化閾値における輝度水準の最小分解能毎に取得した液滴画像を解析するか、あるいは前記分解能を補間処理手段によって複数の区間に分割し、前記分解能を擬似的に高めた後に前記画像を解析するか、あるいは前記分解能を適当数に間引いた後、近似式により補間処理を行うことによって液滴量曲線を算出するものであることを特徴とする液滴量測定方法。
4. 請求項１に記載の液滴量測定方法において、前記第四の工程は、１ノズルあるいは複数のノズル（ｎ）に対して、前記圧力可変手段の強度を複数（ｍ）の水準数掃引することによって取得した（ｎ×ｍ）個のデータを１次式、あるいは多項式等の近似式により近似することによって閾値曲線を算出するものであることを特徴とする液滴量測定方法。
5. 請求項１乃至４いずれかに記載の閾値最適化方法を搭載することによって、最適閾値を算出することを特徴とする液滴量測定プログラム。
6. 請求項５に記載の液滴量測定プログラムを搭載することを特徴とする液滴吐出システム。
7. 請求項６に記載の液滴吐出システムは、インクジェット式記録ヘッド特性評価装置、あるいはインクジェット式記録ヘッド特性補正装置、あるいはインクジェット式記録ヘッド駆動波形最適化装置、あるいはインクジェット式記録装置であることを特徴とする液滴吐出システム。

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