JPH07248250A

JPH07248250A - 微小液滴重量測定装置

Info

Publication number: JPH07248250A
Application number: JP3835694A
Authority: JP
Inventors: Yoshinori Bessho; 芳則別所
Original assignee: Brother Industries Ltd
Current assignee: Brother Industries Ltd
Priority date: 1994-03-09
Filing date: 1994-03-09
Publication date: 1995-09-26

Abstract

(57)【要約】【目的】微小粘性液滴の重量をきわめて短時間に安定
的に測定できる小型で安価な微小液滴重量測定装置を提
供するものである。【構成】振動板と圧電素子を貼り合わせた圧電振動体
にヒ−タ−をつけ加え、付着した粘性インクが剥離も蒸
発もしない温度に圧電振動体をコントロ−ルしておき、
粘性インクジェットを吹き付ける。粘性インクが付着す
ると、圧電振動体の電気機械的結合定数が変わり、その
付着重量に比例して圧電素子のインピ−ダンスが変化す
る。そのインピ−ダンス変化量から、付着重量をもとめ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、１μｇ程度の微小液滴
重量測定装置に係わるものであり、特にホットメルトイ
ンクジェトの微小液滴重量測定装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来のホットメルトインクジェットプリ
ンタのプリントヘッドから吐出される微量なインク液滴
重量を測定する方法を図８に示す。インクジェットヘッ
ドから吐出される液滴１５は、約０．８μｇと非常に軽
いため、通常は、数万ドロップの単位で電子天秤２００
等のインク受け２１０に吐出しその総重量を測定し、総
吐出回数で割り１ドロップ当たりの重量を求めていた。
例えば島津製作所製の電子天秤を用いた場合、その最小
読み取り値は０．１ｍｇであるので、１ドロップの重量
を求めるために、５００００回吐出し約４ｍｇの測定値
を得、その平均ドロップ重量を測定していた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記プ
リンタヘッドは１吐出あたり１２５μｓｅｃ要するの
で、５００００発の吐出には、約６秒を要する。さら
に、ホットメルトインクジェッットは吐出時に約１２５
℃であるので５００００発吐出した場合、天秤の秤量室
内２０５の温度分布に不均衡をもたらし対流を生じさ
せ、吐出終了直後には不安定な測定値を表示させる。安
定な測定値を得るためには、再び秤量室内が熱平衡状態
になるのを待つため更に十数秒を要するという欠点があ
った。

【０００４】本発明は、上述した問題点を解決するため
になされたものであり、熱的にコントロ−ルされた振動
板に数百滴〜千滴のホットメルトインクを吐出し密着さ
せ、そのときの圧電素子のインピ−ダンス変化を測定
し、その変化量から微小重量を求めることにより、小型
で瞬時に安定した値が測定できる微小液滴重量測定装置
を提供するものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めに本発明の微小液滴重量測定装置は、振動板と圧電振
動子よりなる圧電振動体を利用した微小液滴重量測定装
置であって、前記圧電振動子に交流電荷を与えるための
発振器と、前記振動板に熱を与えるための加熱手段と、
上記加熱手段によって加熱せられる振動板の温度をコン
トロ−ルするための温度コントロ−ル手段と、微小液滴
付着による圧電振動体のインピ−ダンス変化を測定する
測定回路手段と、上記インピ−ダンスの変化より付着微
小液適量を計算する計算手段とから構成されることを特
徴とする。

【０００６】

【作用】上記の構成を有する本発明の微小液滴重量測定
装置において、ホットメルトインクが付着する振動板は
加熱手段によって熱が与られ、また温度コントロ−ル手
段によってインクが粘着性を維持できる温度に保たれ
る。インクが振動板に付着すると、圧電振動体はその機
械振動に負荷が加わりインピ−ダンスが変化する。イン
ピ−ダンス変化は、発振器及び測定回路手段により検知
され、計算手段により微小重量に変換される。

【０００７】

【実施例】以下、本発明を具体化した一実施例を図面を
もちいて説明する。

【０００８】ホットメルトインクジェットは、パラフィ
ンを主成分とした粘性インクを用いる事を特徴としてお
り、そのインクをヘッド内で約１２５℃に暖め溶融状態
にし、圧電素子の圧力によって０．８μｇ程度の微小液
滴を吐出するものである。この特殊液滴の平均重量を測
定するために、本実施例では、図１の様な構成をとって
いる。

【０００９】まず振動板２５は、例えば円形もしくは矩
形をした厚さ１００μｍのステンレス、アルミ、銅等の
導電性弾性体からなっており、図示しない支持装置によ
って周辺もしくは両端を支持されているとともに圧電振
動子３０によって振動させられる状態に構成されてい
る。さらに該振動板２５には、例えばステンレス箔、カ
−ボン膜からなるヒ−タすなわち加熱手段２０が貼り合
わせられており、インクジェットヘッド１０より吐出さ
れ、振動板表面もしくはヒ−タ−表面に付着したインク
液滴１６に熱が与えられるように構成されている。

【００１０】また該振動板２５には、さらにその温度制
御をするための温度センサ−４５、例えば熱電対もしく
はサ−ミスタが付随させられており、温度制御回路手段
８５、バス１０５およびコンピュ−タよりなる計算手段
１１５によって温度制御されるよう構成されている。圧
電素子３０は導電性のある上記振動板２５と図示しない
電極によって抵抗体３５と発振器４０に電気的につなが
れており、またその抵抗体３５の両端は、圧電素子３０
のインピ−ダンスを計測するための計測回路手段８０に
もつながれている。

【００１１】計測回路手段８０はバス１０５を介してコ
ンピュ−タよりなる計算手段１１５につながれており、
後に詳述するように該圧電素子のインピ−ダンス変化が
測定されるよう構成されている。また計算手段１１５
は、周知の如く中央演算処理ユニットＣＰＵ１００とプ
ログラムおよび定数を格納しておく記憶手段ＲＯＭ９
０、種々のデ−タを記憶するためのＲＡＭ９５、外部の
入出力を制御するためのＩ／Ｏ１１０からなっている。

【００１２】つぎに、各要素の働きを順を追って説明す
る。ホットメルトインクジェットのヘッド１０から吐出
されたインク１５は、空気で冷やされながら粘性インク
となり振動板２５に到達し付着する。一般に液滴が振動
する物体に付着し、液体のままであると超音波加湿器に
顕緒に見られるように振動体のエネルギ−によって蒸散
され蒸気として散逸する。また逆に振動体に付着後、固
化するとその固化物体はパ−ツフィ−ダ−に顕緒に見ら
れる様に振動体のエネルギ−によって付着した面から剥
離され、その面上を移動もしくはその面上から散逸す
る。どちらの場合でも、正確な測定には適していない。

【００１３】そこで本実施例の構成要素のひとつである
振動板２５の表面には加熱手段２０、例えば約５０Ωの
ステンレス箔等からなるヒ−タ−が図示しない絶縁層を
挟んで貼られており、リレ−回路６５がＯＮ時には電源
５０から電流を供給し、付着した粘性インクに熱を与え
ている。さらに上述したように振動板２５の表面には、
例えば熱電対もしくはサ−ミスタ等の温度センサ４５が
取り付けられており、上記ヒ−タ−よって暖められた該
振動体３１の温度が該温度センサ４５で感知される。

【００１４】熱電対の場合は、温度に対応した電圧に換
算され、サ−ミスタの場合はその抵抗値の変化による分
電圧で換算される。感知された電圧は、Ａ／Ｄ変換回路
６０でデジタル量に変換され、さらにコンパレ−タ７５
でマイクロコンピュ−タよりなる計算手段１１５によっ
て設定された温度定数と比較される。温度定数より小さ
いとコンパレレ−タ７５からリレ−回路６５にＯＮ指令
が出され、大きいとＯＦＦ指令が出されるようになって
いる。このようにして振動板２５は計算手段１１５によ
って設定された温度になるようにコントロ−ルされ、結
果として、粘性インクが蒸散も剥離もしない粘度に保た
れるのである。

【００１５】本実施例のパラフィンを主成分としたイン
クの場合は、温度はメルティングポイントである８０℃
から４０℃上昇した１２０℃の間が適当であり、粘度は
約７０ｃｐｓから約４０ｃｐｓの間が適当である。ま
た、該振動板２５の裏面には例えば約２００μｍ厚の圧
電素子３０が貼り合わせられており、上述のように図示
しない電極と導電性のある振動板２５および抵抗体３５
を経て、発振器４０によってあらかじめ共振状態に設定
されている。この共振状態にある圧電振動体３１に上記
粘性インクが付着すると圧電振動体のインピ−ダンスが
付着量に応じて変化し、反共振状態へと変化するのであ
る。

【００１６】共振状態、反共振状態を説明するために圧
電素子の電気的等価回路を図３に示す。圧電振動体３１
は、図３に示すように電気的静電容量Ｃ₀と機械的圧電
定数に対応するＲ₁，Ｃ₁，Ｌ₁と並列に結合したものと
して表される。それぞれを流れる電流は次の式で表わさ
れる。

【００１７】

【数１】

【００１８】

【数２】

【００１９】共振状態は数式１の分母の項の（Ｌ₁ω−
Ｃ₁ ^-1ω^-1）が０であり、最大電流定Ｉ_max＝Ｅ₀／Ｒ₁Ｃ
ＯＳ（ωｔ−φ）＋Ｃ₀Ｅ₀ωＣＯＳ（ωｔ）が流れてい
る。一方、インクが温度コントロ−ルされた振動板２５
に付着蓄積されると、振動板２５の質量が増えその機械
振動が抑制され、圧電素子の電気機械結合定数が変化す
る。なかでも、質量変化はＬ成分に影響を及ぼし、その
結果合成インピ−ダンスが変化し、共振状態からはずれ
ることになる。さらに蓄積が続くと（Ｌ₁ω−Ｃ
₁ ^-1ω^-1）の項がＲ₁に比べはるかに大きくなり、すなわ
ちＩ₁〜０となり全体を流れる電流値はほぼＩ_min〜Ｃ₀
Ｅ₀ωＣＯＳ（ωｔ）に収束するのである。この電流は
抵抗体３５をながれるので、これらの変化は電圧変化と
して平滑回路５５、Ａ／Ｄ変換回路７０からなる測定回
路手段８０によって電圧値Ｖ＝（Ｉ₀＋Ｉ₁）＊Ｒとして
検知される。

【００２０】これらの現象を実験的に求めたのが図４、
図５である。横軸に吐出回数、縦軸に上記電圧値Ｖを示
してある。ＲＯＭ中では、アドレスが吐出数に対応し、
その電圧値がデ−タとして格納されている。これらのデ
−タはキャリブレ−ション時に、従来方式によって予め
測定され保証された標準機を用い、１０滴吐出毎自動的
に計測されＲＯＭ９５にその電圧値が順に格納されたも
のである。実際の測定は図５のテ−ブルを参照し、図６
のフロ−に従って求められる。

【００２１】Ｓ１では、まず本プログラム中で使用する
パラメ−タ−を初期化しておく。

【００２２】ｉはジェットナンバ−を表わすインデック
スであり、ｊはデ−タを格納するメモリのアドレスを示
すインデックスである。Ｓ２では、計算手段１１５から
振動板２５温度を設定するための、温度定数を温度コン
トロ−ル手段８５に出す。温度コントロ−ル手段８５
は、上述のように温度設定値がセットされるとその温度
に振動板が温まるまで自動的に働く。Ｓ３では、計算手
段１１５は温度コントロ−ル手段８５から現在の温度を
読み取り、設定温度になるまで待機する。設定温度にな
ると、Ｓ４に移り計測回路手段８０から初期電圧Ｖ₀を
読み取る。

【００２３】Ｓ５では、計算手段１１５はインクジェッ
トヘッド１０にｉ番目のジェットを１０００発吐出する
よう命令をだす。インクジェットは１吐出約０．１２５
ｍ秒要するので１００発吐出すると合計０．１２５秒以
上の時間を要する。また吐出終了後、振動板が安定する
まで数十ｍ秒要するので、Ｓ６では合計０．２秒の時間
待ちをする。そしてＳ７で、Ｓ４と同様計測回路手段８
０から計測電圧Ｖ_iを読むのである。

【００２４】Ｓ８では初期電圧Ｖ₀からの変化量△Ｖ
（ｉ）をもとめる。この変化量は振動板２５あるいは加
熱手段２０に付着したインク量と図４、図５の相関があ
るので、Ｓ９では図５のデ−タテ−ブルからＶｊ≧△Ｖ
（ｉ）になるアドレスを検索し、逆にその付着量ｗ_jsを
求めるのである。付着量の逆算は、Ｓ１０に示したよう
に計算される。図５のテ−ブルはキャリブレ−ション時
に１０発毎の電圧変化を記録したものであるから、それ
に対応する重量は１発当りの重量をｗρとするとｊ番目
の電圧に相当する重量はｊ＊１０＊ｗρで計算される。
たとえば、ｉ＝１の場合で逆算アドレスインデックスｊ
が１０５となった場合（標準機との誤差が全くない場合
は逆算アドレス＝１００になる）テ−ブル参照重量はｗ
_js＝ｊ＊１０＊Wρであり、標準Wρは０．８μｇである
のでｗ_jsは０．８４ｍｇとなる。さらに１液滴あたりの
重量を求めるために、Ｓ１１では１０００発分の平均を
もとめるとｗ_h＝０．８４μｇとなり、Ｓ１２でその値
ｗ_hを計測デ−タエリアに格納し、Ｓ１３でＣＲＴ等の
ディスプレイに表示するのである。

【００２５】この一連の作業を全てのジェットナンバ−
（例えばｉ＝１〜１００）に対して行うまでプログラム
の途中で示されたＢ地点まで戻りこれを繰り返す。Ｓ１
４，Ｓ１５では、全てのジェットに対して上記一連の作
業がおこなわれたか否かの判断をおこない、総ジェット
の計測が終了すれば次のＳ１６にはいる。その結果Ｓ１
２で格納された平均重量データは図７のごとく蓄積され
るのである。Ｓ１６、Ｓ１７では次の測定の準備のた
め、振動板の温度を１５０℃に設定し、蓄積されたイン
クを全て液状にし、流してしまうのである。そのために
Ｓ１８で約３分間待ち状態にして、プログラムを終了と
するのである。

【００２６】以上、本発明の一実施例を図面に基づいて
詳細に説明したが、本発明は他の様態で実施することも
できる。

【００２７】例えば、前述の実施例では圧電振動体３１
に円形もしくは矩形の振動板２５を用いたが図２に示し
た様な音叉型振動子２６に圧電振動子３０を貼り付けて
請求項１の圧電振動体としてもよいのである。また前述
の実施例では、振動板に導電性の弾性体を用いたが、絶
縁性の弾性体に導電性金属を蒸着等でコ−ティングし電
極としてもよいのである。また前述の実施例では、圧電
素子のインピ−ダンス変化を測定するために抵抗体とし
て抵抗Ｒを用いたが図２の変形例のようにコンデンサ３
６もしくは図示しないコイルを用いてもよいのである。
また前述の実施例では、発振器４０によりつねに圧電振
動子３０を振動させてインク付着によるインピ−ダンス
変化を検知していたが、インク吐出時には発振器４０を
止め確実にインクが付着するようにし、完全付着後再び
発振器をｏｎにし、そのインピ−ダンス変化を読みとっ
てもよいのである。

【００２８】また、前述の実施例では計測回路手段８０
内で交流電圧を直流電圧に変換するためいわゆる平滑回
路５５を用いたが、図２に示すようなピ−クホ−ルド回
路５６を用いて交流電圧のピ−ク値をＡ／Ｄ変換しても
よいし、ピ−ク＆バレイ（山と谷）の値をＡ／Ｄ変換し
てもよいのである。その他、変形例をいちいち列挙しな
いが、当業者は上述の趣旨を逸脱しない範囲において様
々な変形を実施できるのである。

【００２９】

【発明の効果】以上詳述したことから明かなように、本
発明ではホットメルトインクの微小液滴重量を測るのに
温度コントロ−ルされた圧電振動体を用い、そのインピ
−ダンス変化を計測回路手段およびマイクロコンピュ−
タ手段で重量換算するので、熱液滴にもかかわらず安定
した値が１ジェットあたり約０．２秒という従来にない
スピ−ドで計測できるので、インクジェットヘッドの検
査時間を大幅に短縮できるのである。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の微小液滴重量測定装置の構成
を示すブロック図である。

【図２】図２は、本発明の微小液滴重量測定装置の変形
例を示すブロック図である。

【図３】図３は、本発明の微小液滴重量測定装置の圧電
振動体の電気的等価回路を示す回路図である。

【図４】図４は、本発明の微小液滴重量測定装置におけ
る計測電圧とインク吐出回数との相関図である。

【図５】図５は、図４の吐出数をアドレスに置き換え、
テ−ブルとした図である。

【図６】図６は、本発明の微小液滴重量測定装置におけ
る測定の流れ図である。

【図７】図７は、本発明の微小液滴重量測定装置におけ
る測定の流れ図である。

【図８】図８は、本発明の微小液滴重量測定装置におけ
る測定の流れ図である。

【図９】図９は、本発明の微小液滴重量測定装置におけ
る測定結果のメモリ構造を示す図である。

【図１０】図１０は、従来のホットメルトインクジェッ
トの微小重量測定の概略図である。

【符号の説明】

１５微小液滴２０加熱手段２５振動板３０圧電振動子３１圧電振動体４０発振器８０計測回路手段８５温度コントロ−ル手段１１５換算手段

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】振動板と圧電振動子よりなる圧電振動体
を利用した微小液滴重量測定装置であって、前記圧電振動子に交流電荷を与えるための発振器と、前記振動板に熱を与えるための加熱手段と、上記加熱手段によって加熱せられる振動板の温度をコン
トロ−ルするための温度コントロ−ル手段と、微小液滴付着による圧電振動体のインピ−ダンス変化を
測定する測定回路手段と、上記インピ−ダンスの変化より付着微小液適量を計算す
る計算手段とから構成されることを特徴とする微小液滴
重量測定装置。
【請求項２】前記温度コントロ−ル手段は、振動板の
温度を液滴のメルティングポイントとそれから４０℃上
昇した温度の範囲でコントロ−ルすることを特徴とする
請求項１に記載の微小液滴重量測定装置。