圧電装置及び液体容器
【課題】検出電極取付けに起因する複雑なシール構造を要することなく、インク残量を正確に検出すること。
【解決手段】液体容器に装着され、液体容器内の液体の消費状態を検知する圧電装置であって、圧電装置において振動する振動部は、一方の面が液体容器内の液体と接触する振動板、振動板の他方の面に形成された下部電極、下部電極上に形成された圧電層、及び圧電層上に形成された上部電極を備え、振動部は、圧電層は下部電極を被覆するよう形成されるとともに、上部電極は、下部電極を被覆し、圧電層は上部電極よりもはみ出す圧電装置。
【解決手段】液体容器に装着され、液体容器内の液体の消費状態を検知する圧電装置であって、圧電装置において振動する振動部は、一方の面が液体容器内の液体と接触する振動板、振動板の他方の面に形成された下部電極、下部電極上に形成された圧電層、及び圧電層上に形成された上部電極を備え、振動部は、圧電層は下部電極を被覆するよう形成されるとともに、上部電極は、下部電極を被覆し、圧電層は上部電極よりもはみ出す圧電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音響インピーダンスの変化を検出することで、その中でも特に共振周波数の変化を検出することでインク等の液体を収容する液体容器内の液体の消費状態を検知するための圧電装置（アクチュエータ）が備えられた液体容器に関する。さらに詳しくは、圧力発生手段により圧力発生室のインクを印刷データに対応させて加圧し、ノズル開口からインク滴を吐出させて印刷するインクジェット記録装置に適した圧電装置、モジュール体、及び液体容器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
インクジェット記録装置は、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ノズル開口からインク滴として吐出するノズル開口とを備えたインクジェット記録ヘッドをキャリッジに搭載する。インクジェット記録装置は、インクタンクのインクを流路を介して記録ヘッドに供給しながら印刷を継続可能に構成されている。インクタンクは、インクが消費された時点で、ユーザが簡単に交換できるように着脱可能なカートリッジとして構成されている。
【０００３】
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、記録ヘッドでのインク滴の吐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と、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。
【０００４】
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は、ユーザサイドでの印刷形態等により誤差が生じたり、また同一カートリッジの再装着時には大きな誤差が生じるという問題がある。また、使用環境により、例えば室温が極端な高低、あるいはインクカートリッジの開封後の経過時間などによってインクカートリッジ内の圧力やインクの粘度が変化して、計算上のインク消費量と実際の消費量との間に無視できない誤差が生じてしまうという問題もあった。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、また電極のシール構造が複雑化する問題がある。また、電極の材料として通常は導電性が良く耐腐食性も高い貴金属を使用するので、インクカートリッジの製造コストがかさむという問題もあった。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という問題もあった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、共振周波数からインピーダンスの変化を検出することで液体を収容する液体容器内の液体の消費状態を検知するための圧電装置が備えられた液体容器に関し、さらに詳しくは、圧力発生手段により圧力発生室のインクを印刷データに対応させて加圧してノズル開口からインク滴を吐出させて印刷するインクジェット記録装置に適用されるインクカートリッジに備えられ、インクカートリッジ内のインクの消費状態を検出する圧電装置及びモジュール体に関するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
即ち、本発明の第１の形態における圧電装置は、液体容器に装着され、該液体容器内の液体の消費状態を検知する圧電装置であって、圧電装置において振動する振動部は、一方の面が液体容器内の液体と接触する振動板と、該振動板の他方の面に形成された下部電極と、該下部電極上に形成された圧電層と、及び該圧電層上に形成された上部電極とを備え、振動部は、圧電層が下部電極を被覆するよう形成されるとともに、上部電極が下部電極を被覆し、圧電層が上部電極よりもはみ出していることが好ましい。
【０００７】
また、圧電装置は、上面が振動板の液体と接触する下面側と接し、下面が液体容器内の液体と接触する基板を更に備え、基板が、振動板の振動部分の位置に液体と接触する空洞を有することが好ましい。更に、空洞の面積が下部電極の面積よりも大きいことが好ましい。残留振動による振動板の変形は、基板の変形よりも大きいことが好ましい。圧電層の圧電効果を発生する部分の面積は、下部電極の面積とほぼ同じであってもよい。また、上部電極、圧電層、及び下部電極の主要部が、矩形であることが好ましい。上部電極、圧電層、及び下部電極の主要部は、ほぼ円形であってもよい。空洞がほぼ円形であり、空洞の半径を空洞の深さで割った値が、３π／８より大きいことが好ましい。圧電装置が、振動部近傍の音響インピーダンスの変化を検知することにより液体容器内の液体の消費状態を検知することが好ましい。また、圧電装置が、圧電層の発振によって生じる残留振動によって逆起電力を発生させることによって、音響インピーダンスの変化を検知して液体容器内の液体の消費状態を検知することが好ましい。また、上記の圧電装置が装着される液体容器であることが好ましい。更に、圧電装置は、液体容器の壁面に形成された通孔又は凹部内に設けられていることが好ましい。
【０００８】
本発明の第２の形態におけるモジュール体は、液体容器に装着され、液体容器内の液体の消費状態を検知するためのモジュール体であって、モジュール体は、発振後に残留する残留振動によって逆起電力を発生することで液体の消費状態を検知する圧電装置と、圧電装置を液体容器に取付けるための、圧電装置と一体化された取付構造体とを備え、圧電装置は、一方の面が液体容器内の液体と接触する振動板、該振動板の他方の面に形成された下部電極、該下部電極上に形成された圧電層、及び該圧電層の上に設けられた上部電極を備え、圧電層は下部電極を被覆するよう形成されるとともに、上部電極は下部電極を被覆し、圧電層は上部電極よりもはみ出していることが好ましい。
【０００９】
更に、取付構造体は、上面が振動板の液体と接触する下面側と面し、下面が液体容器内の液体と接触する取付部材を有し、取付部材が、振動板の振動部分の位置に液体と接触する空洞を有することが好ましい。更に、空洞の面積は、下部電極の面積よりも大きいことが好ましい。空洞がほぼ円形であり、空洞の半径を、空洞の深さで割った値が、３π／８より大きいことが好ましい。モジュール体の取付構造体が、中心に開口部を含み、開口部に圧電装置が配設されてもよい。更に、開口部の面積は、圧電層の圧電効果を発生する部分の面積よりも大きいことが好ましい。また、圧電装置は、取付構造体に対し着脱可能であってもよい。更に、上記のモジュール体が配置された液体容器であることが好ましい。
【００１０】
なお上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションも又発明となりうる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の圧電装置、モジュール体、及び液体容器は、液体の残量を正確に検出でき、かつ複雑なシール構造が不要である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態はクレームにかかる発明を限定するものではなく、又実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１３】
本発明の基本的概念は、振動現象を利用することで、液体容器内の液体の状態（液体容器内の液体の有無、液体の量、液体の水位、液体の種類、液体の組成を含む）を検出することである。具体的な振動現象を利用した液体容器内の液体の状態の検出としてはいくつかの方法が考えられる。例えば弾性波発生手段が液体容器の内部に対して弾性波を発生し、液面あるいは対向する壁によって反射する反射波を受波することで、液体容器内の媒体およびその状態の変化を検出する方法がある。また、これとは別に、振動する物体の振動特性から音響インピーダンスの変化を検知する方法もある。音響インピーダンスの変化を利用する方法としては、圧電素子を有する圧電装置またはアクチュエータの振動部を振動させ、その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、共振周波数または逆起電力波形の振幅を検出することで音響インピーダンスの変化を検知する方法や、測定機、例えば伝送回路等のインピーダンスアナライザによって液体のインピーダンス特性またはアドミッタンス特性を測定し、電流値や電圧値の変化または、振動を液体に与えたときの電流値や電圧値の周波数による変化を測定する方法がある。以下、圧電装置またはアクチュエータの動作原理の詳細について説明する。
【００１４】
図１および図２は、圧電装置の一実施形態であるアクチュエータ１０６の詳細および等価回路を示す。ここでいうアクチュエータは、少なくとも音響インピーダンスの変化を検知して液体容器内の液体の消費状態を検出する方法に用いられる。特に、残留振動により共振周波数の検出することで、少なくとも音響インピーダンスの変化を検知して液体容器内の液体の消費状態を検出する方法に用いられる。図１（Ａ）は、アクチュエータ１０６の拡大平面図である。図１（Ｂ）は、アクチュエータ１０６のＢ−Ｂ断面を示す。図１（Ｃ）は、アクチュエータ１０６のＣ−Ｃ断面を示す。さらに図２（Ａ)および図２（Ｂ)は、アクチュエータ１０６の等価回路を示す。また、図２（Ｃ)および図２（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２（Ｅ)および図２（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。
【００１５】
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）に配備される振動板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、かつ両者を電気的に結合する補助電極１７２と、を有する。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円形部分を有する。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は圧電素子を形成する。
【００１６】
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、振動板１７６の開口１６１と面する部分と基板１７８の表面の開口１６１とによって形成される。基板１７８の圧電素子とは反対側の面（以下、裏面という）は液体容器側に面しており、キャビティ１６２は液体と接触するように構成されている。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る。
【００１７】
下部電極１６６は振動板１７６の表面、即ち液体容器とは反対側の面に位置しており、下部電極１６６の主要部である円形部分の中心と開口１６１の中心とが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の円形部分の面積が開口１６１の面積よりも小さくなるように設定されている。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形成されている。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。
【００１８】
一方、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形成される。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。
【００１９】
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て、圧電層１６０を効果的に変形駆動することができる。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。上述のように圧電素子は振動板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。この構造によって、振動板１７６のうち実際に振動する振動領域は、開口１６１によって決定される。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の円形部分は開口１６１より面積が小さいので、振動板１７６がより振動しやすくなる。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のうち圧電効果を発生する部分を決定する。
【００２０】
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て、圧電層１６０を効果的に変形駆動することができる。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。上述のように圧電素子は振動板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。この構造によって、振動板１７６のうち実際に振動する振動領域は、開口１６１によって決定される。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の円形部分は開口１６１より面積が小さいので、振動板１７６がより振動しやすくなる。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のうち圧電効果を発生する部分を決定する。
【００２１】
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の中心とほぼ一致する。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のほぼ中心に設けられている。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。更に、圧電素子の主部及び、振動板１７６の振動部分が、円形な形状を有するので、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。
【００２２】
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る不要な振動を励起しないようにすることができる。そのため、共振周波数の検出精度が向上する。更に、振動部が、アクチュエータ中心に対して対称な形状であるので、製造しやすく、圧電素子ごとの形状のばらつきを小さくできる。したがって、圧電素子ごとの共振周波数のばらつきが小さくなる。また、振動部が、等方的な形状であるので、接着の際、固定のばらつきの影響を受けにくい。液体容器に均等に接着される。したがって、アクチュエータ１０６の液体容器への実装性がよい。
【００２３】
更に、振動板１７６の振動部分が、円形な形状を有するので、圧電層１６０の残留振動の共振モードにおいて、低次、例えば一次の共振モードが支配的となり、単一のピークが出現する。そのため、ピークとノイズとを、明確に区別することができるので、共振周波数を明確に検出することができる。また、円形な形状の振動板１７６の振動部分の面積を大きくすることによって、逆起電力波形の振幅及び液体の有無による共振周波数の振幅の差が大きくなり、共振周波数の検出の精度を更に向上できる。
【００２４】
振動板１７６の振動による変位は、基板１７８の振動による変位よりもはるかに大きい。アクチュエータ１０６は、コンプライアンスの小さい、すなわち振動によって変位しにくい基板１７８と、コンプライアンスの大きい、すなわち振動によって変位しやすい振動板１７６との２層構造を有する。この２層構造によって、基板１７８によって液体容器に確実に固定されながら、かつ振動による振動板１７６の変位を大きくできるので、逆起電力波形の振幅及び液体の有無による共振周波数の振幅の差が大きくなり、共振周波数の検出の精度が向上できる。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。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。
【００２５】
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く、かりに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。
【００２６】
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。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する。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の強度を高めるのに対し、アクチュエータ１０６の圧電素子を薄くかつ小さくし、振動板１７６を薄くすることによって達成できる。
【００２７】
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く、基板１７８の材料として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。
【００２８】
上述したように構成されるアクチュエータ１０６は、液体を収容する容器に適用することができる。例えば、インクジェット記録装置に用いられるインクカートリッジやインクタンク、あるいは記録ヘッドを洗浄するための洗浄液を収容した容器などに装着することができる。
【００２９】
図１および図２に示されるアクチュエータ１０６は、液体容器の所定の場所に、キャビティ１６２を液体容器内に収容される液体と接触するように装着される。液体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。一方、液体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内には液体は存在しないか、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。アクチュエータ１０６は、この状態の変化に起因する、少なくとも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、液体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。さらに、アクチュエータ１０６は、液体容器内の液体の種類も検出することが可能である。
【００３０】
ここで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。
【００３１】
媒体の音響インピーダンスの変化を検出するには、媒体のインピーダンス特性またはアドミッタンス特性を測定する。インピーダンス特性またはアドミッタンス特性を測定する場合には、例えば伝送回路を利用することができる。伝送回路は、媒体に一定電圧を印加し、周波数を変えて媒体に流れる電流を測定する。または、伝送回路は、媒体に一定電流を供給し、周波数を変えて媒体に印加される電圧を測定する。伝送回路で測定された電流値または電圧値の変化は音響インピーダンスの変化を示す。また、電流値または電圧値が極大または極小となる周波数ｆｍの変化も音響インピーダンスの変化を示す。
【００３２】
上記の方法とは別に、アクチュエータは、液体の音響インピーダンスの変化を共振周波数のみの変化を用いて検出することができる。液体の音響インピーダンスの変化を利用する方法として、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共振周波数を検出する方法を用いる場合には、例えば圧電素子を利用することができる。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素子であり、アクチュエータの振動部の振幅によって逆起電力の大きさが変化する。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しやすい。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。従って、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。
【００３３】
共振周波数ｆｓを得るために、振動部と媒体とが共振状態であるときの逆起電力測定によって得られた波形をフーリエ変換する。アクチュエータの振動は、一方向だけの変形ではなく、たわみや伸長等様々な変形をともなうので、共振周波数ｆｓを含め様々な周波数を有する。よって、圧電素子と媒体とが共振状態であるときの逆起電力の波形をフーリエ変換し、最も支配的な周波数成分を特定することで、共振周波数ｆｓを判断する。
【００３４】
周波数ｆｍは、媒体のアドミッタンスが極大またはインピーダンスが極小であるときの周波数である。共振周波数ｆｓとすると、周波数ｆｍは、媒体の誘電損失または機械的損失などによって、共振周波数ｆｓに対しわずかな誤差を生ずる。しかし、実測される周波数ｆｍから共振周波数ｆｓを導出することは手間がかかるため、一般には、周波数ｆｍを共振周波数に代えて使用する。ここで、アクチュエータ１０６の出力を伝送回路に入力することで、アクチュエータ１０６は少なくとも音響インピーダンスを検出することができる。
【００３５】
媒体のインピーダンス特性またはアドミッタンス特性を測定し周波数ｆｍを測定する方法と、アクチュエータの振動部におけ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共振周波数ｆｓを測定する方法と、によって特定される共振周波数に差がほとんど無いことが実験によって証明されている。
【００３６】
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。液体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、振動領域は液体容器内の液体と接触する。一方で、液体容器内に液体が充分にない場合には、振動領域は液体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。
【００３７】
本発明のアクチュエータ１０６にはキャビティ１６２が設けられ、それによって、アクチュエータ１０６の振動領域に液体容器内の液体が残るように設計できる。その理由は次の通りである。
【００３８】
アクチュエータの液体容器への取り付け位置や取り付け角度によっては、液体容器内の液体の液面がアクチュエータの装着位置よりも下方にあるにもかかわらず、アクチュエータの振動領域に液体が付着してしまう場合がある。振動領域における液体の有無だけでアクチュエータが液体の有無を検出している場合には、アクチュエータの振動領域に付着した液体が液体の有無の正確な検出を妨げる。たとえば、液面がアクチュエータの装着位置よりも下方にある状態のとき、キャリッジの往復移動などにより液体容器が揺動して液体が波うち、振動領域に液滴が付着してしまうと、アクチュエータは液体容器内に液体が充分にあるとの誤った判断をしてしまう。そこで、逆にそこに液体を残存した場合であっても液体の有無を正確に検出するように設計されたキャビティを積極的に設けることで、液体容器が揺動して液面が波立ったとしても、アクチュエータの誤動作を防止することができる。このように、キャビティを有するアクチュエータを用いることで、誤動作を防ぐことができる。
【００３９】
また、図２（Ｅ)に示すように、液体容器内に液体が無く、アクチュエータ１０６のキャビティ１６２に液体容器内の液体が残っている場合を、液体の有無の閾値とする。すなわち、キャビティ１６２の周辺に液体が無く、この閾値よりキャビティ内の液体が少ない場合は、インク無しと判断し、キャビティ１６２の周辺に液体が有り、この閾値より液体が多い場合は、インク有りと判断する。例えば、アクチュエータ１０６を液体容器の側壁に装着した場合、液体容器内の液体がアクチュエータの装着位置よりも下にある場合をインク無しと判断し、液体容器内の液体がアクチュエータの装着位置より上にある場合をインク有りと判断する。このように閾値を設定することによって、キャビティ内のインクが乾燥してインクが無くなったときであってもインク無しと判断し、キャビティ内のインクが無くなったところにキャリッジの揺れなどで再度インクがキャビティに付着しても閾値を越えないので、インク無しと判断することができる。
【００４０】
ここで、図１および図２を参照しながら逆起電力の測定によ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液体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。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。圧電層１６０のうち、上部電極１６４および下部電極１６６に挟まれた部分には電界が生じる。その電界によって、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。
【００４１】
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、電圧を印加した後に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の振動部を振動させるため、圧電層１６０をも変形する。従って、圧電層１６０は逆起電力を発生する。その逆起電力は、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ため、液体容器内の液体の状態を検出することができる。
【００４２】
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。
【００４３】
図１（Ｃ）は、本実施例において、キャビティ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２（Ａ)および図２（Ｂ)は、キャビティ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。
【００４４】
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、さらに詳細には、図２（Ａ)に示すように、
Ｍact＝Ｍpzt＋Ｍelectrode1＋Ｍelectrode2＋Ｍvib （式２）
と表される。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。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、本実施例では、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。また、本実施例において、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。
【００４５】
尚、図２（Ａ)、図２（Ｂ)、図２（Ｄ)、図２（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。
【００４６】
1/Ｃact＝（1/Ｃpzt）＋（1/Ｃelectrode1）＋（1/Ｃelectrode2）＋（1/Ｃvib） （式３）
式２および式３より、図２（Ａ)は、図２（Ｂ)のように表すこともできる。
【００４７】
コンプライアンスＣactは、振動部の単位面積に圧力をかけたときの変形によって媒体を受容できる体積を表す。また、コンプライアンスＣactは、変形のし易さを表すといってもよい。
【００４８】
図２（Ｃ)は、液体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２（Ｃ)のＭ'maxは、液体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の最大値を表す。Ｍ' maxは、
【００４９】
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。）
【００５０】
で表される。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の作用によって、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。
【００５１】
波数kは、
ｋ＝２＊π＊ｆact／ｃ （式５）
（factは液体が触れていないときの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。）
【００５２】
で表される。
【００５３】
図２（Ｄ)は、液体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２（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。
【００５４】
図２（Ｅ)は、液体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。式４は、例えば、液体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、液体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なった場合には、
【００５５】
Ｍ'＝ρ*ｔ/Ｓ （式６）
と表せる。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。この振動領域が半径ａの円形の場合は、Ｓ＝π*ａ2である。従って、付加イナータンスＭ'は、液体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なった場合には、式６に従う。
【００５６】
ここで、図２（Ｅ)のように、液体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。
【００５７】
図２（Ｆ)は、液体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２（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。
【００５８】
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。液体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し、液体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２（Ｃ)のＭ'maxから図２（Ｅ)のＭ'cavへ移行する過程における付加イナータンスをＭ'varとすると、液体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が変化するため、付加イナータンスＭ'varが変化し、共振周波数ｆｓも変化することになる。従って、共振周波数ｆｓを特定することによって、液体容器内の液体の有無を検出することができる。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、
【００５９】
Ｍ'cav＝ρ*ｄ/Ｓ （式７）
となる。
【００６０】
また、媒体が互いに種類の異なる液体であっても、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´が変化し、共振周波数ｆｓも変化する。従って、共振周波数ｆｓを特定することで、液体の種類を検出できる。
尚、アクチュエータ１０６の振動部にインクまたは空気のいずれか一方のみが接触し、混在していない場合には、式４によって計算しても、Ｍ'の相違を検出できる。
【００６１】
図３（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。
【００６２】
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、アクチュエータ１０６のキャビティ１６２のｄ(図１（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２（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。例えば、インクカートリッジの底面にアクチュエータ１０６をインクの液面に対してほぼ水平に配備する。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ｔの高さ以下に達すると、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。
【００６３】
また、アクチュエータ１０６の振動領域を大きくまたは長くし、かつ縦に配置することによってインクの消費による液面の位置にしたがって、式６中のＳが変化する。従って、アクチュエータ１０６は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。例えば、インクカートリッジの側壁にアクチュエータ１０６をインクの液面に対してほぼ垂直に配備する。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'が減少するので、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の径２ａ（図２（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。
【００６４】
図３(Ａ)の曲線Ｘは、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、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。
【００６５】
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。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とすると、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、
【００６６】
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。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。
【００６７】
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、
【００６８】
1/Ｍ'＝1/Ｍ'air＋1/Ｍ'ink＝Ｓair/（ρair*ｔair）+Ｓink/（ρink*ｔink） （式９）
となる。
【００６９】
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については、式７、式８および式９によって計算することができる。
【００７０】
一方、基板１７８が厚く、即ち、キャビティ１６２の深さｄが深く、ｄが媒体の厚さｔink-maxに比較的近い場合や、液体容器の高さに比して振動領域が非常に小さいアクチュエータを用いる場合には、実際上はインクが徐々に減少する過程を検出するというよりはインクの液面がアクチュエータの装着位置より上位置か下位置かを検出することになる。換言すると、アクチュエータの振動領域におけるインクの有無を検出することになる。例えば、図３(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検出することができる。
【００７１】
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、液体容器への取付位置及びインクの種類によって影響されるが、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、液体容器への取付位置及びインクの種類によって、影響されない。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の双方を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液体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、液体容器を安価に製造できる。更に、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できる。
【００７２】
図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の曲線Ｙにおけるインクの密度とインクおよび振動部の共振周波数ｆｓとの関係を示す。液体の例としてインクを挙げている。図３（Ｂ）に示すように、インク密度が高くなると、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。
【００７３】
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。
【００７４】
続いて、液体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の、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。
【００７５】
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の作用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ことによる振動部の質量の増加分をいう。
【００７６】
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、液体容器内に液体が満たされている状態と同じである。この場合にはＭ'が変化しないので、共振周波数ｆｓも変化しない。従って、アクチュエータ１０６は、液体容器内の液体の状態を検出できないことになる。
【００７７】
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液体容器内の気体または真空である。このときには液体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、液体容器内の液体の状態を検出できる。
【００７８】
即ち、液体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。
【００７９】
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、
【００８０】
Ｍ'max＞ρ＊ｄ/πa2 （式１０）
である。式１０を展開すると
【００８１】
ａ／ｄ＞３＊π／８ （式１１）
という条件が求められる。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。円形でない場合のＭ'maxの式を用い、式１０中のπa2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。
【００８２】
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、液体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。
【００８３】
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。
【００８４】
また、本実施例によれば、アクチュエータ１０６が振動を発生してその後の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している。しかし、アクチュエータ１０６の振動部が駆動電圧による自らの振動によって液体に振動を与えることは必ずしも必要ではない。即ち、振動部が自ら発振しなくても、それと接触しているある範囲の液体と共に振動することで、圧電層１６０がたわみ変形する。この残留振動が圧電層１６０に逆起電力電圧を発生させ、上部電極１６４および下部電極１６６にその逆起電力電圧を伝達する。この現象を利用することで媒体の状態を検出してもよい。例えば、インクジェット記録装置において、印字時における印字ヘッドの走査によるキャリッジの往復運動による振動によって発生するアクチュエータの振動部の周囲の振動を利用してインクタンクまたはその内部のインクの状態を検出してもよい。
【００８５】
図４(Ａ) および図４（Ｂ）は、アクチュエータ１０６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水位の上下は、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４(Ａ) および図４（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４(Ａ) および図４（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する。
【００８６】
図４(Ａ) および図４（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することによって、インクの有無を検出する。
【００８７】
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。デジタル信号を４カウントから８カウントまでの間をＨｉｇｈとし、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。
【００８８】
図４（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４（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４（Ａ）と図４（Ｂ）とを比較すると、図４（Ａ）の方が図４（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カウントまでの時間が異なる。この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。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する。それによって、共振周波数を求める。クロックパルスは、インクカートリッジに取り付けられる半導体記憶装置等を制御するためのクロックと等しいクロックのパルスであることが好ましい。尚、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４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。
【００８９】
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。
【００９０】
また、他の実施例として所定期間内における逆起電力の電圧波形の波数を数えてもよい（図示せず）。この方法によっても共振周波数を求めることができる。より詳細には、アクチュエータ１０６が発振した後、所定期間だけデジタル信号をＨｉｇｈとし、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。そのカウント数を計測することによってインクの有無を検出できるのである。
【００９１】
さらに、図４(Ａ)および図４(Ｂ)を比較して分かるように、インクがインクカートリッジ内に満たされている場合とインクがインクカートリッジ内に無い場合とでは、逆起電力波形の振幅が異なる。従って、共振周波数を求めることなく、逆起電力波形の振幅を測定することによっても、インクカートリッジ内のインクの消費状態を検出してもよい。より詳細には、例えば、図４(Ａ)の逆起電力波形の頂点と図４(Ｂ) の逆起電力波形の頂点との間に基準電圧を設定する。アクチュエータ１０６が発振した後、所定時間にデジタル信号をＨｉｇｈとし、逆起電力波形が基準電圧を横切った場合には、インクが無いと判断する。逆起電力波形が基準電圧を横切らない場合には、インクが有ると判断する。
【００９２】
図５は、アクチュエータ１０６の製造方法を示す。複数のアクチュエータ１０６（図５の例では４個）が一体に形成されている。図５に示した複数のアクチュエータの一体成形物を、それぞれのアクチュエータ１０６において切断することにより、図６に示すアクチュエータ１０６を製造する。図５に示す一体成形された複数のアクチュエータ１０６のそれぞれの圧電素子が円形である場合、一体成形物をそれぞれのアクチュエータ１０６において切断することにより、図１に示すアクチュエータ１０６を製造することができる。複数のアクチュエータ１０６を一体に形成することにより、複数のアクチュエータ１０６を同時に効率良く製造することができ、運搬時の取り扱いが容易となる。
【００９３】
アクチュエータ１０６は、薄板又は振動板１７６、基板１７８、弾性波発生手段又は圧電素子１７４、端子形成部材又は上部電極端子１６８、及び端子形成部材又は下部電極端子１７０を有する。圧電素子１７４は、圧電振動板又は圧電層１６０、上電極又は上部電極１６４、及び下電極又は下部電極１６６を含む。基板１７８の上面に振動板１７６が、形成され、振動板１７６の上面に下部電極１６６が形成されている。下部電極１６６の上面には、圧電層１６０が形成され、圧電層１６０の上面に、上部電極１６４が、形成されている。したがって、圧電層１６０の主要部は、上部電極１６４の主要部及び下部電極１６６の主要部によって、上下から挟まれるように形成されている。
【００９４】
振動板１７６上に複数（図５の例では４個）の圧電素子１７４が形成されている。振動板１７６の表面に下部電極１６６が形成され、下部電極１６６の表面に圧電層１６０が形成され、圧電層１６０の上面に上部電極１６４が形成される。上部電極１６４及び下部電極１６６の端部に上部電極端子１６８及び下部電極端子１７０が形成される。４個のアクチュエータ１０６は、それぞれ別々に切断されて個別に使用される。
【００９５】
図６は、圧電素子が矩形のアクチュエータ１０６の一部分の断面を示す。
【００９６】
図７は、図６に示したアクチュエータ１０６の全体の断面を示す。基板１７８の圧電素子１７４と対向する面には、貫通孔１７８ａが形成されている。貫通孔１７８ａは振動板１７６によって封止されている。振動板１７６はアルミナや酸化ジルコニア等の電気絶縁性を備え、かつ弾性変形可能な材料によって形成されている。貫通孔１７８ａと対向するように、圧電素子１７４が振動板１７６上に形成されている。下部電極１６６は貫通孔１７８ａの領域から一方向、図７では左方に延びるように振動板１７６の表面に形成されている。上部電極１６４は貫通孔１７８ａの領域から下部電極とは反対の方向に、図７では右方に延びるように圧電層１６０の表面に形成されている。上部電極端子１６８及び下部電極端子１７０は、それぞれ補助電極１７２及び下部電極１６６の上面に形成されている。下部電極端子１７０は下部電極１６６と電気的に接触し、上部電極端子１６８は補助電極１７２を介して上部電極１６４と電気的に接触して、圧電素子とアクチュエータ１０６の外部との間の信号の受け渡しをする。上部電極端子１６８及び下部電極端子１７０は、電極と圧電層とを合わせた圧電素子の高さ以上の高さを有する。
【００９７】
図８は、図５に示したアクチュエータ１０６の製造方法を示す。まず、グリーンシート９４０にプレスあるいはレーザー加工等を用いて貫通孔９４０ａを穿孔する。グリーンシート９４０は焼成後に基板１７８となる。グリーンシート９４０はセラミック等の材料で形成される。次に、グリーンシート９４０の表面にグリーンシート９４１を積層する。グリーンシート９４１は、焼成後に振動板１７６となる。グリーンシート９４１は、酸化ジルコニア等の材料で形成される。次に、グリーンシート９４１の表面に導電層９４２、圧電層１６０、導電層９４４を圧膜印刷等の方法で順次形成する。導電層９４２は、後に下部電極１６６となり、導電層９４４は、後に上部電極１６４となる。次に、形成されたグリーンシート９４０、グリーンシート９４１、導電層９４２、圧電層１６０、及び導電層９４４を乾燥して焼成する。スペーサ部材９４７、９４８は、上部電極端子１６８と下部電極端子１７０の高さを底上げして圧電素子より高くする。スペーサ部材９４７、９４８は、グリーンシート９４０、９４１と同材料を印刷、あるいはグリーンシートを積層して形成する。このスペーサ部材９４７，９４８により貴金属である上部電極端子１６８及び下部電極端子１７０の材料が少なくて済む上に、上部電極端子１６８及び下部電極端子１７０の厚みを薄くできるので、上部電極端子１６８及び下部電極端子１７０を精度良く印刷でき、さらに安定した高さとすることができる。
【００９８】
導電層９４２の形成時に導電層９４４との接続部９４４'及びスペーサ部材９４７及び９４８を同時に形成すると、上部電極端子１６８及び下部電極端子１７０を容易に形成したり、強固に固定することができる。最後に、導電層９４２及び導電層９４４の端部領域に、上部電極端子１６８及び下部電極端子１７０を形成する。上部電極端子１６８及び下部電極端子１７０を形成する際、上部電極端子１６８及び下部電極端子１７０が、圧電層１６０に電気的に接続されるように形成する。
【００９９】
図９は、本発明が適用されるインクカートリッジのさらに他の実施形態を示す。図９（Ａ）は、本実施形態によるインクカートリッジの底部の断面図である。本実施形態のインクカートリッジは、インクを収容する容器１の底面１ａに貫通孔１ｃを有する。貫通孔１ｃの底部はアクチュエータ６５０によって塞がれ、インク溜部を形成する。
【０１００】
図９（Ｂ）は、図９（Ａ）に示したアクチュエータ６５０及び貫通孔１ｃの詳細な断面を示す。図９（Ｃ）は、図９（Ｂ）に示したアクチュエータ６５０及び貫通孔１ｃの平面を示す。アクチュエータ６５０は振動板７２および振動板７２に固定された圧電素子７３とを有する。振動板７２及び基板７１を介して圧電素子７３が貫通孔１ｃに対向するように、アクチュエータ６５０は、容器１の底面に固定される。振動板７２は、弾性変形可能で耐インク性を備える。
【０１０１】
容器１のインク量に依存して、圧電素子７３及び振動板７２の残留振動によって発生する逆起電力の振幅及び周波数が変化する。アクチュエータ６５０に対向する位置に貫通孔１ｃが形成されていて、最小限の一定量のインクが貫通孔１ｃに確保される。したがって、貫通孔１ｃに確保されるインク量により決まるアクチュエータ６５０の振動の特性を予め測定しておくことにより、容器１のインクエンドを確実に検出することができる。
【０１０２】
図１０は貫通孔１ｃの他の実施形態を示す。図１０（Ａ）、（Ｂ）、及び（Ｃ）のそれぞれにおいて、左側の図は、貫通孔１ｃにインクＫが無い状態を示し、右側の図は、貫通孔１ｃにインクＫが残った状態を示す。図９の実施形態においては、貫通孔１ｃの側面は垂直な壁として形成されている。図１０（Ａ）においては、貫通孔１ｃは、側面１ｄが上下方向に斜めであり外側に拡大して開いている。図１０（Ｂ）においては、段差部１ｅ及び１ｆが、貫通孔１ｃの側面に形成されている。上方にある段差部１ｆが、下方にある段差部１ｅより広くなっている。図１０（Ｃ）においては、貫通孔１ｃは、インクＫを排出しやすい方向、すなわちインク供給口２の方向へ延びる溝１ｇを有する。
【０１０３】
図１０(Ａ)〜（Ｃ）に示した貫通孔１ｃの形状によれば、インク溜部のインクＫの量を少なくできる。従って、図１および図２で説明したＭ'ｃａｖをＭ'ｍａｘと比較して小さくすることができるので、インクエンド時におけるアクチュエータ６５０の振動特性を、容器１に印刷可能な量のインクＫが残存している場合と大きく異ならせることができるので、インクエンドをより確実に検出することができる。
【０１０４】
図１１はアクチュエータの他の実施形態を示す斜視図である。アクチュエータ６６０は、アクチュエータ６６０を構成する基板または取付プレート７８の貫通孔１ｃよりも外側にパッキン７６を有する。アクチュエータ６６０の外周にはカシメ孔７７が形成されている。アクチュエータ６６０は、カシメ孔７７を介してカシメにより容器１に固定される。
【０１０５】
図１２（Ａ）、（Ｂ）は、アクチュエータの更に他の実施形態を示す斜視図である。本実施形態においては、アクチュエータ６７０は、凹部形成基板８０および圧電素子８２を備える。凹部形成基板８０の一方の面には凹部８１がエッチング等の手法により形成され、他方の面には圧電素子８２が取り付けられる。凹部形成基板８０のうち、凹部８１の底部が振動領域として作用する。従って、アクチュエータ６７０の振動領域は凹部８１の周縁によって規定される。また、アクチュエータ６７０は、図１の実施例によるアクチュエータ１０６のうち、基板１７８および振動板１７６が一体として形成された構造と類似する。従って、インクカートリッジを製造する際に製造工程を短縮することができ、コストを低減させる。アクチュエータ６７０は、容器１に設けられた貫通孔１ｃに埋め込み可能なサイズである。それによって、凹部８１がキャビティとしても作用することができる。尚、図１の実施例によるアクチュエータ１０６を、図１２の実施例によるアクチュエータ６７０と同様に貫通孔１ｃに埋め込み可能なように形成してもよい。
【０１０６】
図１３は、アクチュエータ１０６を取り付けモジュール体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。本実施形態のモジュール体１００は、容器１にアクチュエータ１０６を取り付けるための液体容器取付部１０１を有する。液体容器取付部１０１は、平面がほぼ矩形の基台１０２上に駆動信号により発振するアクチュエータ１０６を収容した円柱部１１６を載せた構造になっている。モジュール体１００が、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ので、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。
【０１０７】
図１４は、図１３に示したモジュール体１００の構成を示す分解図である。モジュール体１００は、樹脂からなる液体容器取付部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、およびフィルム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。液体容器取付部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を収容できるよう中心部に開口部１１４が形成され、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凹部１１３が形成される。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は液体容器取付部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およびプレート１１０は、液体容器取付部１０１に一体として取り付けられる。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し、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。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。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、液体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。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。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に接着する前と後における共振周波数の変化が小さい。
【０１０８】
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１０４、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１０４、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。更に、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】
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１および図２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、貫通孔１１２とキャビティ１６２は、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-パ形状であっても良いしステップ形状でもよい。モジュール体１００は、貫通孔１１２が容器１の内側へ向くように容器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ので、インクの水位変化を検出することができる。
【０１１０】
図１５は、モジュール体の他の実施形態を示す斜視図である。本実施形態のモジュール体４００は、液体容器取付部４０１に圧電装置装着部４０５が形成されている。液体容器取付部４０１は、平面がほぼ角丸の正方形上の基台４０２上に円柱状の円柱部４０３が形成されている。更に、圧電装置装着部４０５は、円柱部４０３上に立てられた板状要素４０６および凹部４１３を含む。板状要素４０６の側面に設けられた凹部４１３には、アクチュエータ１０６が配置される。なお、板状要素４０６の先端は所定角度に面取りされていて、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。
【０１１１】
図１６は、図１５に示したモジュール体４００の構成を示す分解斜視図である。図１３に示したモジュール体１００と同様に、モジュール体４００は、液体容器取付部４０１および圧電装置装着部４０５を含む。液体容器取付部４０１は基台４０２および円柱部４０３を有し、圧電装置装着部４０５は板状要素４０６および凹部４１３を有する。アクチュエータ１０６は、プレート４１０に接合されて凹部４１３に固定される。モジュール体４００は、リードワイヤ４０４ａ及び４０４ｂ、アクチュエータ１０６、及びフィルム４０８をさらに有する。
【０１１２】
本実施形態によれば、プレート４１０は矩形状であり、板状要素４０６に設けられた開口部４１４は矩形状に形成されている。リードワイヤ４０４ａ及び４０４ｂ、アクチュエータ１０６、フィルム４０８、及びプレート４１０は基台４０２に対して着脱可能として構成しても良い。アクチュエータ１０６、フィルム４０８、及びプレート４１０は、開口部４１４の中心を通り、開口部４１４の平面に対して鉛直方向に延びる中心軸に対して対称に配置されている。更に、アクチュエータ４０６、フィルム４０８、及びプレート４１０の中心は、開口部４１４のほぼ中心軸上に配置されている。
【０１１３】
プレート４１０の中心に設けられた貫通孔４１２の面積は、アクチュエータ１０６のキャビティ１６２の開口の面積よりも大きく形成されている。アクチュエータ１０６のキャビティ１６２と貫通孔４１２とは、共にインク溜部を形成する。プレート４１０の厚さは貫通孔４１２の径に比べて小さく、例えば貫通孔４１２の径の３分の１以下の大きさに設定することが好ましい。貫通孔４１２は、モジュール体４００の中心軸に対して対称なほぼ真円の形状である。貫通孔４１２の断面の周縁はテ-パ形状であっても良いしステップ形状でもよい。モジュール体４００は、貫通孔４１２が容器１の内部に配置されるように容器１の底部に装着することができる。アクチュエータ１０６が垂直方向に延びるように容器１内に配置されるので、基台４０２の高さを変えてアクチュエータ１０６が容器１内に配置される高さを変えることによりインクエンドの時点の設定を容易に変えることができる。
【０１１４】
図１７は、モジュール体の更に他の実施形態を示す。図１３に示したモジュール体１００と同様に、図１７のモジュール体５００は、基台５０２および円柱部５０３を有する液体容器取付部５０１を含む。また、モジュール体５００は、リードワイヤ５０４ａ及び５０４ｂ、アクチュエータ１０６、フィルム５０８、及びプレート５１０をさらに有する。液体容器取付部５０１に含まれる基台５０２は、リードワイヤ５０４ａ及び５０４ｂを収容できるよう中心部に開口部５１４が形成され、アクチュエータ１０６、フィルム５０８、及びプレート５１０を収容できるように凹部５１３が形成される。プアクチュエータ１０６はプレート５１０を介して圧電装置装着部５０５に固定される。従って、リードワイヤ５０４ａ及び５０４ｂ、アクチュエータ１０６、フィルム５０８およびプレート５１０は、液体容器取付部５０１に一体として取り付けられる。本実施形態のモジュール体５００は、平面がほぼ角丸の正方形上の基台上に上面が上下方向に斜めな円柱部５０３が形成されている。円柱部５０３の上面の上下方向に斜めに設けられた凹部５１３上にアクチュエータ１０６が配置されている。
【０１１５】
モジュール体５００の先端は傾斜しており、その傾斜面にアクチュエータ１０６が装着されている。そのため、モジュール体５００が容器１の底部又は側部に装着されると、アクチュエータ１０６が容器１の上下方向に対して傾斜する。モジュール体５００の先端の傾斜角度は、検出性能を鑑みてほぼ３０°から６０°の間とすることが望ましい。
【０１１６】
モジュール体５００は、アクチュエータ１０６が容器１内に配置されるように容器１の底部又は側部に装着される。モジュール体５００が容器１の側部に装着される場合には、アクチュエータ１０６が、傾斜しつつ、容器１の上側、下側、又は横側を向くように容器１に取り付けられる。一方、モジュール体５００が、容器１の底部に装着される場合には、アクチュエータ１０６が、傾斜しつつ、容器１のインク供給口側を向くように容器１に取り付けられることが好ましい。
【０１１７】
図１８は、図１３に示したモジュール体１００を容器１に装着したときのインク容器の底部近傍の断面図である。モジュール体１００は、容器１の側壁を貫通するように装着されている。容器１の側壁とモジュール体１００との接合面には、Ｏリング３６５が設けられ、モジュール体１００と容器１との液密を保っている。Ｏリングでシールが出来るようにモジュール体１００は図１３で説明したような円柱部を備えることが好ましい。モジュール体１００の先端が容器１の内部に挿入されることで、プレート１１０の貫通孔１１２を介して容器１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。また、モジュール体１００に限らず、図１５に示したモジュール体４００、図１７に示したモジュール体５００、又は図１９及び図２０に示したモジュール体７００Ａ、７００Ｂ、７５０Ａ、及び７５０Ｂ、及びモールド構造体６００を容器１に装着してインクの有無を検出してもよい。
【０１１８】
図１９は、モジュール体１００の更に他の実施形態を示す。図１９（Ａ）のモジュール体７５０Ａはアクチュエータ１０６と基台部３６０とを有する。モジュール体７５０Ａは前面が容器１の側壁の内面と同一面となるように、容器１に装着されている。アクチュエータ１０６は、圧電層１６０、上部電極１６４、下部電極１６６、及び振動板１７６を含む。振動板１７６の上面に下部電極１６６が形成されている。下部電極１６６の上面には圧電層１６０が形成され、圧電層１６０の上面に上部電極１６４が形成されている。したがって、圧電層１６０は、上部電極１６４及び下部電極１６６によって上下から挟まれるように形成されている。圧電層１６０、上部電極１６４、及び下部電極１６６は、圧電素子を形成する。圧電素子は振動板１７６上に形成される。圧電素子及び振動板１７６の振動領域はアクチュエータが実際に振動する振動部である。容器１の側壁には貫通孔３８５が設けられている。したがって、インクは容器１の貫通孔３８５を介して振動板１７６と接触する。
【０１１９】
次に図１９（Ａ）に示したモジュール体７５０Ａの動作について説明する。上部電極１６４及び下部電極１６６は圧電層１６０に駆動信号を伝達し、圧電層１６０が検出した共振周波数の信号を記録装置に伝達する。圧電層１６０は上部電極１６４及び下部電極１６６によって伝達された駆動信号により発振して残留振動する。この残留振動により圧電層１６０は逆起電力を発生する。逆起電力波形の振動周期をカウントし、その時点での共振周波数を検出することでインクの有無を検出できる。モジュール体７５０Ａは、アクチュエータ１０６がアクチュエータ１０６の振動部の圧電素子側とは反対の面、すなわち、図１９（Ａ）では、振動板１７６のみが、インク容器１内のインクと接触するように容器１に装着される。図１９（Ａ）のモジュール体７５０Ａは、図１３から図１７に示したリードワイヤ１０４ａ、１０４ｂ、４０４ａ、４０４ｂ、５０４ａ、及び５０４ｂの電極のモジュール体１００への埋め込みが不要となる。そのため成形工程が簡素化される。更に、モジュール体７５０Ａの交換が可能となりリサイクルが可能となる。また更に、アクチュエータ１０６は基台部３６０により保護されているのでアクチュエータ１０６を外部との接触から保護できる。
【０１２０】
図１９（Ｂ）はモジュール体７５０Ｂの更に他の実施形態を示す。図１９（Ｂ）のモジュール体７５０Ｂはアクチュエータ１０６と基台部３６０とを有する。モジュール体７５０Ｂは前面が容器１の側壁の内面と同一面となるように、容器１に装着されている。アクチュエータ１０６は、圧電層１６０、上部電極１６４、下部電極１６６、及び振動板１７６を含む。振動板１７６の上面に下部電極１６６が形成されている。下部電極１６６の上面には圧電層１６０が形成され、圧電層１６０の上面に上部電極１６４が形成されている。したがって、圧電層１６０は、上部電極１６４及び下部電極１６６によって上下から挟まれるように形成されている。圧電層１６０、上部電極１６４、及び下部電極１６６は、圧電素子を形成する。圧電素子は振動板１７６上に形成される。圧電素子及び振動板１７６の振動領域はアクチュエータが実際に振動する振動部である。容器１の側壁には薄壁部３８０が設けられている。モジュール体７５０Ｂは、アクチュエータ１０６がアクチュエータ１０６の振動部の圧電素子側とは反対の面、すなわち、図１９（Ｂ）では、振動板１７６のみが、インク容器１の薄壁部３８０と接触するように容器１に装着される。したがって、アクチュエータ１０６の振動部は、薄壁部３８０と共に残留振動する。
【０１２１】
次に図１９（Ｂ）に示したモジュール体７５０Ｂの動作について説明する。上部電極１６４及び下部電極１６６は圧電層１６０に駆動信号を伝達し、圧電層１６０が検出した共振周波数の信号を記録装置に伝達する。圧電層１６０は上部電極１６４及び下部電極１６６によって伝達された駆動信号により発振して共振周期で振動する。振動板１７６が、容器１の薄壁部３８０と接触するので、アクチュエータ１０６の振動部は、薄壁部３８０と共に残留振動する。薄壁部３８０の容器１の内面側は、インクと接触するので、アクチュエータ１０６が、薄壁部３８０と共に残留振動する際、この残留振動の共振周波数及び振幅は、インク残量により変化する。この残留振動により圧電層１６０は逆起電力を発生する。逆起電力波形の振動周期をカウントし、その時の共振周波数を検出することによりインク残量を検出することができる。
【０１２２】
図１９（Ｂ）のモジュール体７５０Ｂは、図１３から図１７に示したリードワイヤ１０４ａ、１０４ｂ、４０４ａ、４０４ｂ、５０４ａ、及び５０４ｂの電極のモジュール体１００への埋め込みが不要となる。そのため成形工程が簡素化される。更に、モジュール体７５０Ｂの交換が可能となりリサイクルが可能となる。また更に、アクチュエータ１０６は基台部３６０により保護されているのでアクチュエータ１０６を外部との接触から保護できる。
【０１２３】
図２０（Ａ）はモジュール体７００Ｂを容器１に装着したときのインク容器の断面図を示す。本実施例では取付構造体の１つとしてモジュール体７００Ｂを使用する。モジュール体７００Ｂは、液体容器取付部３６０が容器１の内部に突出するようにして容器１に装着されている。取付プレート３５０には貫通孔３７０が形成され、貫通孔３７０とアクチュエータ１０６の振動部が面している。更に、モジュール体７００Ｂの底壁には孔３８２が形成され、圧電装置装着部３６３が形成される。アクチュエータ１０６が孔３８２の一方を塞ぐようにして配備される。したがって、インクは、圧電装置装着部３６３の孔３８２及び取付プレート３５０の貫通孔３７０を介して振動板１７６と接触する。圧電装置装着部３６３の孔３８２及び取付プレート３５０の貫通孔３７０は、共にインク溜部を形成する。圧電装置装着部３６３とアクチュエータ１０６とは、取付プレート３５０及びフィルム部材によって固定されている。液体容器取付部３６０と容器１との接続部にはシーリング構造３７２が設けられている。シーリング構造３７２は合成樹脂等の可塑性の材料により形成されてもよいし、Ｏリングにより形成されてもよい。図２０（Ａ）のモジュール体７００Ｂと容器１とは別体であるが、図２０（Ｂ）ようにモジュール体７００Ｂの圧電装置装着部を容器１の一部で構成してもよい。
【０１２４】
図２０（Ａ）のモジュール体７００Ｂは、図１３から図１７に示したリードワイヤのモジュール体への埋め込みが不要となる。そのため成形工程が簡素化される。更に、モジュール体７００Ｂの交換が可能となりリサイクルが可能となる。
【０１２５】
インクカートリッジが揺れる際にインクが容器１の上面あるいは側面に付着し、容器１の上面あるいは側面から垂れてきたインクがアクチュエータ１０６に接触することでアクチュエータ１０６が誤作動する可能性がある。しかし、モジュール体７００Ｂは液体容器取付部３６０が容器１の内部に突出しているので、容器１の上面や側面から垂れてきたインクによりアクチュエータ１０６が誤作動しない。
【０１２６】
また、図２０（Ａ）の実施例では、振動板１７６と取付プレート３５０の一部のみが、容器１内のインクと接触するように容器１に装着される。図２０（Ａ）の実施例では、図１３から図１７に示したリードワイヤ１０４ａ、１０４ｂ、４０４ａ、４０４ｂ、５０４ａ、及び５０４ｂの電極のモジュール体への埋め込みが不要となる。そのため成形工程が簡素化される。更に、アクチュエータ１０６の交換が可能となりリサイクルが可能となる。
【０１２７】
図２０（Ｂ）は、アクチュエータ１０６を容器１に装着したときの実施例としてインク容器の断面図を示す。図２０（Ｂ）の実施例によるインクカートリッジでは、保護部材３６１はアクチュエータ１０６とは別体として容器１に取り付けられている。従って、保護部材３６１とアクチュエータ１０６とはモジュールとして一体となっていないが、一方で、保護部材３６１はアクチュエータ１０６にユーザーの手が触れないように保護することができる。アクチュエータ１０６の前面に設けられる孔３８０は、容器１の側壁に配設されている。アクチュエータ１０６は、圧電層１６０、上部電極１６４、下部電極１６６、振動板１７６及び取付プレート３５０を含む。取付プレート３５０の上面に振動板１７６が形成され、振動板１７６の上面に下部電極１６６が形成されている。下部電極１６６の上面には圧電層１６０が形成され、圧電層１６０の上面に上部電極１６４が形成されている。したがって、圧電層１６０の主要部は、上部電極１６４の主要部及び下部電極１６６の主要部によって上下から挟まれるように形成されている。圧電層１６０、上部電極１６４、及び下部電極１６６のそれぞれの主要部である円形部分は、圧電素子を形成する。圧電素子は振動板１７６上に形成される。圧電素子及び振動板１７６の振動領域はアクチュエータが実際に振動する振動部である。取付プレート３５０には貫通孔３７０が設けられている。更に、容器１の側壁には孔３８０が形成されている。したがって、インクは、容器１の孔３８０及び取付プレート３５０の貫通孔３７０を介して振動板１７６と接触する。容器１の孔３８０及び取付プレート３５０の貫通孔３７０は、共にインク溜部を形成する。また、図２０（Ｂ）の実施例では、アクチュエータ１０６は保護部材３６１により保護されているのでアクチュエータ１０６を外部との接触から保護できる。
【０１２８】
尚、図２０（Ａ）および（Ｂ）の実施例における取付プレート３５０に代えて、図１の基板１７８を使用してもよい。
【０１２９】
図２０（Ｃ）はアクチュエータ１０６を含むモールド構造体６００を備える実施形態を示す。本実施例では、取付構造体の１つとしてモールド構造体６００を使用する。モールド構造体６００はアクチュエータ１０６とモールド部３６４とを有する。アクチュエータ１０６とモールド部３６４とは一体に成形されている。モールド部３６４はシリコン樹脂等の可塑性の材料によって成形される。モールド部３６４は内部にリードワイヤ３６２を有する。モールド部３６４はアクチュエータ１０６から延びる２本の足を有するように形成されている。モールド部３６４はモールド部３６４と容器１とを液密に固定するために、モールド部３６４の２本の足の端が半球状に形成される。モールド部３６４はアクチュエータ１０６が容器１の内部に突出するよう容器１に装着され、アクチュエータ１０６の振動部は容器１内のインクと接触する。モールド部３６４によって、アクチュエータ１０６の上部電極１６４、圧電層１６０、及び下部電極１６６はインクから保護されている。
【０１３０】
図２０（Ｃ）のモールド構造体６００は、モールド部３６４と容器１との間にシーリング構造３７２が必要ないので、インクが容器１から漏れにくい。また、容器１の外部からモールド構造体６００が突出しない形態であるので、アクチュエータ１０６を外部との接触から保護することができる。インクカートリッジが揺れる際に、インクが容器１の上面あるいは側面に付き、容器１の上面あるいは側面から垂れてきたインクが、アクチュエータ１０６に接触することで、アクチュエータ１０６が、誤作動する可能性がある。モールド構造体６００は、モールド部３６４が、容器１の内部に突出しているので、容器１の上面や側面から垂れてきたインクにより、アクチュエータ１０６が誤作動しない。
【０１３１】
図２１は、図１に示したアクチュエータ１０６を用いたインクカートリッジ及びインクジェット記録装置の実施形態を示す。複数のインクカートリッジ１８０は、それぞれのインクカートリッジ１８０に対応した複数のインク導入部１８２及びホルダー１８４を有するインクジェット記録装置に装着される。複数のインクカートリッジ１８０は、それぞれ異なった種類、例えば色のインクを収容する。複数のインクカートリッジ１８０のそれぞれの底面には、少なくとも音響インピーダンスを検出する手段であるアクチュエータ１０６が装着されている。アクチュエータ１０６をインクカートリッジ１８０に装着することによって、インクカートリッジ１８０内のインク残量を検出することができる。
【０１３２】
図２２は、インクジェット記録装置のヘッド部周辺の詳細を示す。インクジェット記録装置は、インク導入部１８２、ホルダー１８４、ヘッドプレート１８６、及びノズルプレート１８８を有する。インクを噴射するノズル１９０がノズルプレート１８８に複数形成されている。インク導入部１８２は空気供給口１８１とインク導入口１８３とを有する。空気供給口１８１はインクカートリッジ１８０に空気を供給する。インク導入口１８３はインクカートリッジ１８０からインクを導入する。インクカートリッジ１８０は空気導入口１８５とインク供給口１８７とを有する。空気導入口１８５はインク導入部１８２の空気供給口１８１から空気を導入する。インク供給口１８７はインク導入部１８２のインク導入口１８３にインクを供給する。インクカートリッジ１８０がインク導入部１８２から空気を導入することによって、インクカートリッジ１８０からインク導入部１８２へのインクの供給を促す。ホルダー１８４は、インクカートリッジ１８０からインク導入部１８２を介して供給されたインクをヘッドプレート１８６に連通する。
【０１３３】
図２３は、図２０に示したインクカートリッジ１８０の他の実施形態を示す。図２３（Ａ）のインクカートリッジ１８０Ａは、上下方向に斜めに形成された底面１９４ａにアクチュエータ１０６が装着されている。インクカートリッジ１８０のインク容器１９４の内部には、インク容器１９４の内部底面から所定の高さの、アクチュエータ１０６と直面する位置に防波壁１９２が設けられている。アクチュエータ１０６が、インク容器１９４の上下方向に対し斜めに装着されているので、インクの掃けが良好になる。
【０１３４】
アクチュエータ１０６と防波壁１９２との間には、インクで満たされた間隙が形成される。また、防波壁１９２とアクチュエータ１０６との間隔は、毛細管力によりインクが保持されない程度に空けられている。インク容器１９４が横揺れしたときに、横揺れによってインク容器１９４内部にインクの波が発生し、その衝撃によって、気体や気泡がアクチュエータ１０６によって検出されてアクチュエータ１０６が誤作動する可能性がある。防波壁１９２を設けることによって、アクチュエータ１０６付近のインクの波を防ぎ、アクチュエータ１０６の誤作動を防ぐことができる。
【０１３５】
図２３（Ｂ）のインクカートリッジ１８０Ｂのアクチュエータ１０６は、インク容器１９４の供給口の側壁上に装着されている。インク供給口１８７の近傍であれば、アクチュエータ１０６は、インク容器１９４の側壁又は底面に装着されてもよい。また、アクチュエータ１０６はインク容器１９４の幅方向の中心に装着されることが好ましい。インクは、インク供給口１８７を通過して外部に供給されるので、アクチュエータ１０６をインク供給口１８７の近傍に設けることにより、インクニアエンド時点までインクとアクチュエータ１０６とが確実に接触する。したがって、アクチュエータ１０６はインクニアエンドの時点を確実に検出することができる。
【０１３６】
更に、アクチュエータ１０６をインク供給口１８７の近傍に設けることで、インク容器をキャリッジ上のカートリッジホルダに装着する際に、インク容器上のアクチュエータ１０６とキャリッジ上の接点との位置決めが確実となる。その理由は、インク容器とキャリッジとの連結において最も重要なのは、インク供給口と供給針との確実な結合である。少しでもずれがあると供給針の先端を痛めてしまったりあるいはＯリングなどのシーリング構造にダメージを与えてしまいインクが漏れ出してしまうからである。このような問題点を防ぐために、通常インクジェットプリンタはインク容器をキャリッジにマウントする時に正確な位置合わせができるような特別な構造を有している。よって供給口近傍にアクチュエータを配置させることにより、アクチュエータの位置合わせも同時に確実なものとなるのである。さらに、アクチュエータ１０６をインク容器１９４の幅方向の中心に装着することで、より確実に位置合わせすることができる。インク容器が、ホルダへの装着時に幅方向中心線を中心として軸揺動した場合に、もっともその揺れが少ないからである。
【０１３７】
図２４はインクカートリッジ１８０の更に他の実施形態を示す。図２４（Ａ）はインクカートリッジ１８０Ｃの断面図、図２４（Ｂ）は図２４（Ａ）に示したインクカートリッジ１８０Ｃの側壁１９４ｂを拡大した断面図、及び図２４（Ｃ）はその正面からの透視図である。インクカートリッジ１８０Ｃは、半導体記憶手段７とアクチュエータ１０６とが同一の回路基板６１０上に形成されている。図２４（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、半導体記憶手段７は回路基板６１０の上方に形成され、アクチュエータ１０６は同一の回路基板６１０において半導体記憶手段７の下方に形成されている。アクチュエータ１０６の周囲を囲むように異型Ｏリング６１４が、側壁１９４ｂに装着される。側壁１９４ｂには、回路基板６１０をインク容器１９４に接合するためのカシメ部６１６が複数形成されている。カシメ部６１６によって回路基板６１０をインク容器１９４に接合し、異型Ｏリング６１４を回路基板６１０に押しつけることで、アクチュエータ１０６の振動領域がインクと接触することをできるようにしつつ、インクカートリッジの外部と内部とを液密に保つ。
【０１３８】
半導体記憶手段７及び半導体記憶手段７付近には端子６１２が形成されている。端子６１２は半導体記憶手段７とインクジェット記憶装置等の外部との間の信号の受け渡しをする。半導体記憶手段７は、例えばＥＥＰＲＯＭなどの書き換え可能な半導体メモリによって構成されてもよい。半導体記憶手段７とアクチュエータ１０６とが同一の回路基板６１０上に形成さているので、アクチュエータ１０６及び半導体記憶手段７をインクカートリッジ１８０Ｃに取付ける際に１回の取付け工程で済む。また、インクカートリッジ１８０Ｃの製造時及びリサイクル時の作業工程が簡素化される。更に、部品の点数が削減されるので、インクカートリッジ１８０Ｃの製造コストが低減できる。
【０１３９】
アクチュエータ１０６は、インク容器１９４内のインクの消費状態を検知する。半導体記憶手段７はアクチュエータ１０６が検出したインク残量などインクの情報を格納する。すなわち、半導体記憶手段７は検出する際に用いられるインク及びインクカートリッジの特性等の特性パラメータに関する情報を格納する。半導体記憶手段７は、予めインク容器１９４内のインクがフルのとき、すなわちインクがインク容器１９４内に満たされたとき、又はエンドのとき、すなわちインク容器１９４内のインクが消費されたときの共振周波数を特性パラメータの一つとして格納する。インク容器１９４内のインクがフル又はエンド状態の共振周波数は、インク容器が初めてインクジェット記録装置に装着されたときに格納されてもよい。また、インク容器１９４内のインクがフル又はエンド状態の共振周波数は、インク容器１９４の製造中に格納されてもよい。半導体記憶手段７に予めインク容器１９４内のインクがフル又はエンドのときの共振周波数を格納し、インクジェット記録装置側で共振周波数のデータを読出すことによりインク残量を検出する際のばらつきを補正できるので、インク残量が基準値まで減少したことを正確に検出することができる。
【０１４０】
図２５は、インクカートリッジ１８０の更に他の実施形態を示す。図２５（Ａ）に示すインクカートリッジ１８０Ｄは、インク容器１９４の側壁１９４ｂに複数のアクチュエータ１０６を装着する。図５に示した、一体成形された複数のアクチュエータ１０６を、これら複数のアクチュエータ１０６として用いることが好ましい。複数のアクチュエータ１０６は、上下方向に間隔をおいて側壁１９４ｂに配置されている。複数のアクチュエータ１０６を上下方向に間隔をおいて側壁１９４ｂに配置することによって、インク残量を段階的に検出することができる。
【０１４１】
図２５（Ｂ）に示すインクカートリッジ１８０Ｅは、インク容器１９４の側壁１９４ｂに上下方向に長いアクチュエータ６０６を装着する。上下方向に長いアクチュエータ６０６によって、インク容器１９４内のインク残量の変化を連続的に検出することができる。アクチュエータ６０６の長さは、側壁１９４ｂに高さの半分以上の長さを有することが望ましく、図２５（Ｂ）においては、アクチュエータ６０６は側壁１９４ｂのほぼ上端からほぼ下端までの長さを有する。
【０１４２】
図２５（Ｃ）に示すインクカートリッジ１８０Ｆは、図２５（Ａ）に示したインクカートリッジ１８０Ｄと同様に、インク容器１９４の側壁１９４ｂに複数のアクチュエータ１０６を装着し、複数のアクチュエータ１０６の直面に所定の間隔をおいて上下方向に長い防波壁１９２を備える。図５に示した、一体成形された複数のアクチュエータ１０６を、これら複数のアクチュエータ１０６として用いることが好ましい。アクチュエータ１０６と防波壁１９２との間には、インクで満たされた間隙が形成される。また、防波壁１９２とアクチュエータ１０６との間隔は、毛細管力によりインクが保持されない程度に空けられている。インク容器１９４が横揺れしたときに横揺れによってインク容器１９４内部にインクの波が発生し、その衝撃によって気体や気泡がアクチュエータ１０６によって検出されてしまい、アクチュエータ１０６が誤作動する可能性がある。本発明のように防波壁１９２を設けることによって、アクチュエータ１０６付近のインクの波立ちを防ぎ、アクチュエータ１０６の誤作動を防ぐことができる。また、防波壁１９２はインクが揺動することで発生した気泡がアクチュエータ１０６に侵入するのを防ぐ。
【０１４３】
図２６は、インクカートリッジ１８０の更に他の実施形態を示す。図２６（Ａ）のインクカートリッジ１８０Ｇは、インク容器１９４の上面１９４ｃから下方に延びる複数の隔壁２１２を有する。それぞれの隔壁２１２の下端とインク容器１９４の底面とは所定の間隔が空けられているので、インク容器１９４の底部は連通している。インクカートリッジ１８０Ｇは複数の隔壁２１２のそれぞれによって区画された複数の収容室２１３を有する。複数の収容室２１３の底部は互いに連通する。複数の収容室２１３のそれぞれにおいて、インク容器１９４の上面１９４ｃにはアクチュエータ１０６が装着されている。図５に示した、一体成形されたアクチュエータ１０６を、これら複数のアクチュエータ１０６として用いることが好ましい。アクチュエータ１０６は、インク容器１９４の収容室２１３の上面１９４ｃのほぼ中央に配置される。収容室２１３の容量はインク供給口１８７側が最も大きく、インク供給口１８７からインク容器１９４の奥へ遠ざかるにつれて、収容室２１３の容量が徐々に小さくなっている。したがって、アクチュエータ１０６が配置される間隔はインク供給口１８７側が広く、インク供給口１８７からインク容器１９４の奥へと遠ざかるにつれ、狭くなっている。
【０１４４】
インクは、インク供給口１８７から排出され、空気が空気導入口１８５から入るので、インク供給口１８７側の収容室２１３からインクカートリッジ１８０Ｇの奥の方の収容室２１３へとインクが消費される。例えば、インク供給口１８７に最も近い収容室２１３のインクが消費されて、インク供給口１８７に最も近い収容室２１３のインクの水位が下がっている間、他の収容室２１３にはインクが満たされている。インク供給口１８７に最も近い収容室２１３のインクが消費され尽くすと、空気が、インク供給口１８７から数えて２番目の収容室２１３に侵入し、２番目の収容室２１３内のインクが消費され始めて、２番目の収容室２１３のインクの水位が下がり始める。この時点で、インク供給室１８７から数えて３番目以降の収容室２１３には、インクが満たされている。このように、インク供給口１８７に近い収容室２１３から遠い収容室２１３へと順番にインクが消費される。
【０１４５】
このように、アクチュエータ１０６がそれぞれの収容室２１３ごとにインク容器１９４の上面１９４ｃに間隔をおいて配置されているので、アクチュエータ１０６はインク量の減少を段階的に検出することができる。更に、収容室２１３の容量が、インク供給口１８７から収容室２１３の奥へと徐々に小さくなっているので、アクチュエータ１０６が、インク量の減少を検出する時間間隔が徐々に小さくなり、インクエンドに近づくほど頻度を高く検出することができる。
【０１４６】
図２６（Ｂ）のインクカートリッジ１８０Ｈは、インク容器１９４の上面１９４ｃから下方に延びる一つの隔壁２１２を有する。隔壁２１２の下端とインク容器１９４の底面とは所定の間隔が空けられているので、インク容器１９４の底部は連通している。インクカートリッジ１８０Ｈは隔壁２１２によって区画された２室の収容室２１３ａ及び２１３ｂを有する。収容室２１３ａ及び２１３ｂの底部は互いに連通する。インク供給口１８７側の収容室２１３ａの容量はインク供給口１８７から見て奥の方の収容室２１３ｂの容量より大きい。収容室２１３ｂの容量は、収容室２１３ａの容量の半分より小さいことが好ましい。
【０１４７】
収容室２１３ｂの上面１９４ｃにアクチュエータ１０６が装着される。更に、収容室２１３ｂには、インクカートリッジ１８０Ｈの製造時に入る気泡を捕らえる溝であるバッファ２１４が形成される。図２６（Ｂ）において、バッファ２１４は、インク容器１９４の側壁１９４ｂから上方に延びる溝として形成される。バッファ２１４はインク収容室２１３ｂ内に侵入した気泡を捕らえるので、気泡によってアクチュエータ１０６がインクエンドと検出する誤作動を防止することができる。また、アクチュエータ１０６を収容室２１３ｂの上面１９４ｃに設けることにより、インクニアエンドが検出されてから完全にインクエンド状態になるまでのインク量に対して、ドットカウンタによって把握した収容室２１３ａでのインクの消費状態に対応した補正をかけることで、最後までインクを消費することができる。更に、収容室２１３ｂの容量を隔壁２１２の長さや間隔を変えたりすることなどによって調節することにより、インクニアエンド検出後の消費可能インク量を変えることができる。
【０１４８】
図２６（Ｃ）は、図２６（Ｂ）のインクカートリッジ１８０Ｉの収容室２１３ｂに多孔質部材２１６が充填されている。多孔質部材２１６は、収容室２１３ｂ内の上面から下面までの全空間を埋めるように設置される。多孔質部材２１６は、アクチュエータ１０６と接触する。インク容器が倒れたときや、キャリッジ上での往復運動中に空気がインク収容室２１３ｂ内に侵入してしまい、これがアクチュエータ１０６の誤作動を引き起こす可能性がある。しかし、多孔質部材２１６が備えられていれば、空気を捕らえてアクチュエータ１０６に空気が入るのを防ぐことができる。また、多孔質部材２１６はインクを保持するのでインク容器が揺れることにより、インクがアクチュエータ１０６にかかってアクチュエータ１０６がインク無しをインク有りと誤検出するのを防ぐことができる。多孔質部材２１６は最も容量が小さい収容室２１３に設置することが好ましい。また、アクチュエータ１０６を収容質２１３ｂの上面１９４ｃに設けることにより、インクニアエンドが検出されてから完全にインクエンド状態になるまでのインク量に補正をかけ、最後までインクを消費することができる。更に、収容室２１３ｂの容量を隔壁２１２の長さや間隔を変えたりすることなどによって調節することにより、インクニアエンド検出後の消費可能インク量を変えることができる。
【０１４９】
図２６（Ｄ）は、図２６（Ｃ）のインクカートリッジ１８０Ｉの多孔質部材２１６が孔径の異なる２種類の多孔質部材２１６Ａ及び２１６Ｂによって構成されているインクカートリッジ１８０Ｊを示す。多孔質部材２１６Ａは、多孔質部材２１６Ｂの上方に配置されている。上側の多孔質部材２１６Ａの孔径は、下側の多孔質部材２１６Ｂの孔径より大きい。もしくは、多孔質部材２１６Ａは、多孔質部材２１６Ｂよりも液体親和性が低い部材で形成される。孔径の小さい多孔質部材２１６Ｂの方が孔径の大きい多孔質部材２１６Ａより毛細管力は大きいので、収容室２１３ｂ内のインクが下側の多孔室部材２１６Ｂに集まり、保持される。したがって、一度空気がアクチュエータ１０６まで到達してインク無しを検出すると、インクが再度アクチュエータに到達してインク有りと検出することが無い。更に、アクチュエータ１０６から遠い側の多孔質部材２１６Ｂにインクが吸収されることで、アクチュエータ１０６近傍のインクの捌けが良くなり、インク有無を検出するときの音響インピーダンス変化の変化量が大きくなる。また、アクチュエータ１０６を収容質２１３ｂの上面１９４ｃに設けることにより、インクニアエンドが検出されてから完全にインクエンド状態になるまでのインク量に補正をかけ、最後までインクを消費することができる。更に、収容室２１３ｂの容量を隔壁２１２の長さや間隔を変えたりすることなどによって調節することにより、インクニアエンド検出後の消費可能インク量を変えることができる。
【０１５０】
図２７は、図２６（Ｃ）に示したインクカートリッジ１８０Ｉの他の実施形態であるインクカートリッジ１８０Ｋを示す断面図である。図２７に示すインクカートリッジ１８０の多孔質部材２１６は、多孔質部材２１６の下部の水平方向の断面積が、インク容器１９４の底面の方向にむけて徐々に小さくなるように圧縮され、孔径が小さくなるよう設計されている。図２７（Ａ）のインクカートリッジ１８０Ｋは、多孔質部材２１６の下の方の孔径が小さくなるように圧縮するために側壁にリブが設けられている。多孔質部材２１６下部の孔径は圧縮されることにより、小さくなっているので、インクは多孔質部材２１６下部へと集められ、保持される。アクチュエータ１０６から遠い側の多孔質部材２１６下部にインクが吸収されることで、アクチュエータ１０６近傍のインクの捌けが良くなり、インク有無を検出するときの音響インピーダンス変化の変化量が大きくなる。したがって、インクが揺れることによってインクカートリッジ１８０Ｋ上面に装着されたアクチュエータ１０６にインクがかかっていしまい、アクチュエータ１０６が、インク無しをインク有りと誤検出することを防止することができる。
【０１５１】
一方、図２７（Ｂ）及び図２７（Ｃ）のインクカートリッジ１８０Ｌは、多孔質部材２１６の下部の水平方向の断面積が、インク容器１９４の幅方向において、インク容器１９４の底面にむけて徐々に小さくなるよう圧縮するために、収容室の水平方向の断面積がインク容器１９４の底面の方向にむけて徐々に小さくなっている。多孔質部材２１６下部の孔径は圧縮されることにより、小さくなっているので、インクは多孔質部材２１６の下部へと集められ、保持される。アクチュエータ１０６から遠い側の多孔質部材２１６Ｂの下部にインクが吸収されることで、アクチュエータ１０６近傍のインクの捌けが良くなり、インク有無を検出するときの音響インピーダンス変化の変化量が大きくなる。したがって、インクが揺れることによって、インクカートリッジ１８０Ｌの上面に装着されたアクチュエータ１０６にインクがかかってしまい、アクチュエータ１０６が、インク無しをインク有りと誤検出することを防止することができる。
【０１５２】
図２８は、アクチュエータ１０６を用いたインクカートリッジの更に他の実施形態を示す。図２８（Ａ）のインクカートリッジ２２０Ａは、インクカートリッジ２２０Ａの上面から下方へと延びるように設けられた第１の隔壁２２２を有する。第１の隔壁２２２の下端とインクカートリッジ２２０Ａの底面との間には所定の間隔が空けられているので、インクは、インクカートリッジ２２０Ａの底面を通じてインク供給口２３０へ流入できる。第１の隔壁２２２よりインク供給口２３０側には、インクカートリッジ２２０Ａの底面より上方に延びるように第２の隔壁２２４が、形成されている。第２の隔壁２２４の上端とインクカートリッジ２２０Ａ上面との間には所定の間隔が空けられているので、インクは、インクカートリッジ２２０Ａの上面を通じてインク供給口２３０へ流入できる。
【０１５３】
第１の隔壁２２２によって、インク供給口２３０から見て、第１の隔壁２２２の奥の方に第１の収容室２２５ａが形成される。一方、第２の隔壁２２４によって、インク供給口２３０から見て第２の隔壁２２４の手前側に第２の収容室２２５ｂが形成される。第１の収容室２２５ａの容量は、第２の収容室２２５ｂの容量より大きい。第１の隔壁２２２及び第２の隔壁２２４の間に、毛管現象を起こせるだけの間隔が空けられることにより、毛管路２２７が形成される。したがって、第１の収容室２２５ａのインクは、毛管路２２７の毛細管力により、毛管路２２７に集められる。そのため、気体や気泡が第２の収容室２２５ｂへ混入するのを防止することができる。また、第２の収容室２２５ｂ内のインクの水位は、安定的に徐々に下降できる。インク供給口２３０から見て、第１の収容室２２５ａは、第２の収容室２２５ｂより奥に形成されているので、第１の収容室２２５ａのインクが消費された後、第２の収容室２２５ｂのインクが消費される。
【０１５４】
インクカートリッジ２２０Ａのインク供給口２３０側の側壁、すなわち第２の収容室２２５ｂのインク供給口２３０側の側壁には、アクチュエータ１０６が装着されている。アクチュエータ１０６は、第２の収容室２２５ｂ内のインクの消費状態を検知する。アクチュエータ１０６を、第２の収容室２２５ｂの側壁に装着することによって、インクエンドにより近い時点でのインク残量を安定的に検出することができる。更に、アクチュエータ１０６を第２の収容室２２５ｂの側壁に装着する高さを変えることにより、どの時点でのインク残量をインクエンドにするかを、自由に設定することができる。毛管路２２７によって第１の収容室２２５ａから第２の収容室２２５ｂへインクが供給されることにより、アクチュエータ１０６は、インクカートリッジ２２０Ａの横揺れによるインクの横揺れの影響を受けないので、アクチュエータ１０６は、インク残量を確実に測定できる。更に、毛管路２２７が、インクを保持するので、インクが第２の収容室２２５ｂから第１の収容室２２５ａへ逆流するのを防ぐ。
【０１５５】
インクカートリッジ２２０Ａの上面には、逆止弁２２８が設けられている。逆止弁２２８によって、インクカートリッジ２２０Ａが横揺れしたときに、インクがインクカートリッジ２２０Ａ外部に漏れるのを防ぐことができる。更に、逆止弁２２８をインクカートリッジ２２０Ａの上面に設置することで、インクのインクカートリッジ２２０Ａからの蒸発を防ぐことができる。インクカートリッジ２２０Ａ内のインクが消費されて、インクカートリッジ２２０Ａ内の負圧が逆止弁２２８の圧力を越えると、逆止弁２２８が開いて、インクカートリッジ２２０Ａに空気を吸入し、その後閉じてインクカートリッジ２２０Ａ内の圧力を一定に保持する。
【０１５６】
図２８（Ｃ）及び（Ｄ）は、逆止弁２２８の詳細の断面を示す。図２８（Ｃ）の逆止弁２２８は、ゴムにより形成された羽根２３２ａを有する弁２３２を有する。インクカートリッジ２２０の外部との通気孔２３３が、羽根２３２ａに対向してインクカートリッジ２２０に設けられる。羽根２３２ａによって、通気孔２３３が、開閉される。逆止弁２２８は、インクカートリッジ２２０内のインクが減少し、インクカートリッジ２２０内の負圧が逆止弁２２８の圧力を越えると、羽根２３２ａが、インクカートリッジ２２０の内側に開き、外部の空気をインクカートリッジ２２０内に取り入れる。図２８（Ｄ）の逆止弁２２８は、ゴムにより形成された弁２３２とバネ２３５とを有する。逆止弁２２８は、インクカートリッジ２２０内の負圧が逆止弁２２８の圧力を越えると、弁２３２が、バネ２３５を押圧して開き、外部の空気をインクカートリッジ２２０内に吸入し、その後閉じてインクカートリッジ２２０内の負圧を一定に保持する。
【０１５７】
図２８（Ｂ）のインクカートリッジ２２０Ｂは、図２８（Ａ）のインクカートリッジ２２０Ａにおいて逆止弁２２８を設ける代わりに第１の収容室２２５ａに多孔質部材２４２を配置している。多孔質部材２４２は、インクカートリッジ２２０Ｂ内のインクを保持すると共に、インクカートリッジ２２０Ｂが横揺れしたときに、インクがインクカートリッジ２２０Ｂの外部へ漏れるのを防ぐ。
【０１５８】
以上、キャリッジに装着される、キャリッジと別体のインクカートリッジにおいて、インクカートリッジ又はキャリッジにアクチュエータ１０６を装着する場合について述べたが、キャリッジと一体化され、キャリッジと共に、インクジェット記録装置に装着されるインクタンクにアクチュエータ１０６を装着してもよい。更に、キャリッジと別体の、チューブ等を介して、キャリッジにインクを供給するオフキャリッジ方式のインクタンクにアクチュエータ１０６を装着してもよい。またさらに、記録ヘッドとインク容器とが一体となって交換可能に構成されたインクカートリッジに、本発明のアクチュエータを装着してもよい。
【０１５９】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることができる。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【０１６０】
【図１】アクチュエータ１０６の詳細を示す図である。
【図２】アクチュエータ１０６の周辺およびその等価回路を示す図である。
【図３】インクの密度とアクチュエータ１０６によって検出されるインクの共振周波数との関係を示す図である。
【図４】アクチュエータ１０６の逆起電力波形を示す図である。
【図５】アクチュエータ１０６の他の実施形態を示す図である。
【図６】図５に示したアクチュエータ１０６の一部分の断面を示す図である。
【図７】図６に示したアクチュエータ１０６の全体の断面を示す図である。
【図８】図５に示したアクチュエータ１０６の製造方法を示す図である。
【図９】本発明のインクカートリッジの更に他の実施形態を示す図である。
【図１０】貫通孔１ｃの他の実施形態を示す図である。
【図１１】アクチュエータ６６０の他の実施形態を示す図である。
【図１２】アクチュエータ６７０の更に他の実施形態を示す図である。
【図１３】モジュール体１００を示す斜視図である。
【図１４】図１３に示したモジュール体１００の構成を示す分解図である。
【図１５】モジュール体１００の他の実施形態を示す図である。
【図１６】図１５に示したモジュール体１００の構成を示す分解図である。
【図１７】モジュール体１００の更に他の実施形態を示す図である。
【図１８】図１３に示したモジュール体１００をインク容器１に装着した断面の例を示す図である。
【図１９】モジュール体１００の更に他の実施形態を示す図である。
【図２０】モジュール体１００の更に他の実施形態を示す図である。
【図２１】図１および図２に示したアクチュエータ１０６を用いたインクカートリッジ及びインクジェット記録装置の実施形態を示す図である。
【図２２】インクジェット記録装置の詳細を示す図である。
【図２３】図２２に示したインクカートリッジ１８０の他の実施形態を示す図である。
【図２４】インクカートリッジ１８０の更に他の実施形態を示す図である。
【図２５】インクカートリッジ１８０の更に他の実施形態を示す図である。
【図２６】インクカートリッジ１８０の更に他の実施形態を示す図である。
【図２７】図２６（Ｃ）に示したインクカートリッジ１８０の他の実施形態を示す図である。
【図２８】モジュール体１００を用いたインクカートリッジの更に他の実施形態を示す図である。
【符号の説明】
【０１６１】
１・・・容器
１ａ・・・底面
１ｂ・・・側壁
１ｃ、９４０ａ・・・貫通孔
１ｄ、・・・側面
１ｅ、１ｆ・・・段差部
１ｇ、１ｈ・・・溝
２・・・インク供給口
６７・・・板材
６８・・・フロート
７１・・・接着剤層
７８、８０、１７８・・・基板
７３、８２、圧電振動板
７４、７５・・・インク吸収体
７６・・・パッキン
７７・・・カシメ孔
８１・・・凹部
１００、４００，５００、７００・・・モジュール体
１０１、４０１、５０１・・・液体容器取付部
１０２・・・基台
１０４、３６２・・・リードワイヤ
１０５、４０５、５０５・・・圧電装置装着部
１０６、６５０、６６０、６７０・・・アクチュエータ
１０８・・・フィルム
１１０・・・プレート
１１２、４１２、３７０・・・貫通孔
１１３・・・凹部
１１４・・・開口部
１１６・・・円柱部
１６０・・・圧電層
１６２・・・キャビティ
１６４・・・上部電極
１６６・・・下部電極
１６８・・・上部電極端子
１７０・・・下部電極端子
１７２・・・補助電極
１７４・・・圧電素子
１７６・・・振動板
１８０・・・インクカートリッジ
１８１・・・空気供給口
１８２・・・インク導入部
１８３・・・インク導入口
１８４・・・ホルダー
１８５・・・空気導入口
１８６・・・ヘッドプレート
１８７・・・インク供給口
１８８・・・ノズルプレート
１９０・・・ノズル
１９２・・・防波壁
１９４・・・インク容器
１９４ａ・・・底面
１９４ｂ・・・側壁
１９４ｃ・・・上面
２１２・・・隔壁
２１３、２１３ａ、２１３ｂ・・・収容室
２１４・・・バッファ
２１６、２１６ａ、２１６ｂ・・・多孔質部材
２２０・・・インクカートリッジ
２２２・・・第１の隔壁
２２４・・・第２の隔壁
２２５ａ・・・第１の収容室
２２５ｂ・・・第２の収容室
２２７・・・毛管路
２２８・・・逆止弁
２３０・・・インク供給口
２３２・・・弁
２３２ａ・・・羽根
２３３・・・通気孔
２３５・・・バネ
２４２・・・多孔質部材
２５０・・・キャリッジ
２５２・・・記録ヘッド
２５４・・・インク供給針
２５６・・・サブタンクユニット
２５８、２５８'・・・凸部
２６０、２６０'・・・弾性波発生手段
２６２・・・インク室
２６６・・・膜弁
２７０・・・弁体
２７２・・・インクカートリッジ
２７４・・・容器
２７４ａ・・・底面
２７４ｂ・・・側面
２７６・・・インク供給口
２７８・・・凹部
２８０、２８０'・・・ゲル化材
２８２・・・パッキン
２８４・・・バネ
２８６・・・弁体
２８８・・・半導体記憶手段
２９０・・・容器
２９０ａ・・・底面
２９２、２９４、２９６・・・インク室
２９８、３００、３０２・・・インク供給口
３０４、３０６、３０８・・・ゲル化材
３１０、３１２、３１４・・・凹部
３１６・・・板材
３１８・・・フロート
３５０・・・取付プレート
３６０・・・液体容器取付部
３６４・・・モールド部
３７２・・・シーリング構造
４０２、５０２・・・基台
４０３、５０３・・・円柱部
４０４、５０４・・・リードワイヤ
４０８、５０８・・・フィルム
４１０、５１０・・・プレート
４１３、５１３・・・凹部
４１４、５１４・・・開口部
６００・・・モールド構造体
６０６・・・アクチュエータ
６１０・・・回路基板
６１２・・・端子
９４０、９４１・・・グリーンシート
９４２、９４４・・・導電層
９４４'・・・接続部
９４７、９４８・・・スペーサ部材
Δｈ１、Δｈ２・・・液面の変化
Ｋ・・・インク
【技術分野】
【０００１】
本発明は、音響インピーダンスの変化を検出することで、その中でも特に共振周波数の変化を検出することでインク等の液体を収容する液体容器内の液体の消費状態を検知するための圧電装置（アクチュエータ）が備えられた液体容器に関する。さらに詳しくは、圧力発生手段により圧力発生室のインクを印刷データに対応させて加圧し、ノズル開口からインク滴を吐出させて印刷するインクジェット記録装置に適した圧電装置、モジュール体、及び液体容器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
インクジェット記録装置は、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ノズル開口からインク滴として吐出するノズル開口とを備えたインクジェット記録ヘッドをキャリッジに搭載する。インクジェット記録装置は、インクタンクのインクを流路を介して記録ヘッドに供給しながら印刷を継続可能に構成されている。インクタンクは、インクが消費された時点で、ユーザが簡単に交換できるように着脱可能なカートリッジとして構成されている。
【０００３】
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、記録ヘッドでのインク滴の吐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と、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。
【０００４】
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は、ユーザサイドでの印刷形態等により誤差が生じたり、また同一カートリッジの再装着時には大きな誤差が生じるという問題がある。また、使用環境により、例えば室温が極端な高低、あるいはインクカートリッジの開封後の経過時間などによってインクカートリッジ内の圧力やインクの粘度が変化して、計算上のインク消費量と実際の消費量との間に無視できない誤差が生じてしまうという問題もあった。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、また電極のシール構造が複雑化する問題がある。また、電極の材料として通常は導電性が良く耐腐食性も高い貴金属を使用するので、インクカートリッジの製造コストがかさむという問題もあった。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という問題もあった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、共振周波数からインピーダンスの変化を検出することで液体を収容する液体容器内の液体の消費状態を検知するための圧電装置が備えられた液体容器に関し、さらに詳しくは、圧力発生手段により圧力発生室のインクを印刷データに対応させて加圧してノズル開口からインク滴を吐出させて印刷するインクジェット記録装置に適用されるインクカートリッジに備えられ、インクカートリッジ内のインクの消費状態を検出する圧電装置及びモジュール体に関するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
即ち、本発明の第１の形態における圧電装置は、液体容器に装着され、該液体容器内の液体の消費状態を検知する圧電装置であって、圧電装置において振動する振動部は、一方の面が液体容器内の液体と接触する振動板と、該振動板の他方の面に形成された下部電極と、該下部電極上に形成された圧電層と、及び該圧電層上に形成された上部電極とを備え、振動部は、圧電層が下部電極を被覆するよう形成されるとともに、上部電極が下部電極を被覆し、圧電層が上部電極よりもはみ出していることが好ましい。
【０００７】
また、圧電装置は、上面が振動板の液体と接触する下面側と接し、下面が液体容器内の液体と接触する基板を更に備え、基板が、振動板の振動部分の位置に液体と接触する空洞を有することが好ましい。更に、空洞の面積が下部電極の面積よりも大きいことが好ましい。残留振動による振動板の変形は、基板の変形よりも大きいことが好ましい。圧電層の圧電効果を発生する部分の面積は、下部電極の面積とほぼ同じであってもよい。また、上部電極、圧電層、及び下部電極の主要部が、矩形であることが好ましい。上部電極、圧電層、及び下部電極の主要部は、ほぼ円形であってもよい。空洞がほぼ円形であり、空洞の半径を空洞の深さで割った値が、３π／８より大きいことが好ましい。圧電装置が、振動部近傍の音響インピーダンスの変化を検知することにより液体容器内の液体の消費状態を検知することが好ましい。また、圧電装置が、圧電層の発振によって生じる残留振動によって逆起電力を発生させることによって、音響インピーダンスの変化を検知して液体容器内の液体の消費状態を検知することが好ましい。また、上記の圧電装置が装着される液体容器であることが好ましい。更に、圧電装置は、液体容器の壁面に形成された通孔又は凹部内に設けられていることが好ましい。
【０００８】
本発明の第２の形態におけるモジュール体は、液体容器に装着され、液体容器内の液体の消費状態を検知するためのモジュール体であって、モジュール体は、発振後に残留する残留振動によって逆起電力を発生することで液体の消費状態を検知する圧電装置と、圧電装置を液体容器に取付けるための、圧電装置と一体化された取付構造体とを備え、圧電装置は、一方の面が液体容器内の液体と接触する振動板、該振動板の他方の面に形成された下部電極、該下部電極上に形成された圧電層、及び該圧電層の上に設けられた上部電極を備え、圧電層は下部電極を被覆するよう形成されるとともに、上部電極は下部電極を被覆し、圧電層は上部電極よりもはみ出していることが好ましい。
【０００９】
更に、取付構造体は、上面が振動板の液体と接触する下面側と面し、下面が液体容器内の液体と接触する取付部材を有し、取付部材が、振動板の振動部分の位置に液体と接触する空洞を有することが好ましい。更に、空洞の面積は、下部電極の面積よりも大きいことが好ましい。空洞がほぼ円形であり、空洞の半径を、空洞の深さで割った値が、３π／８より大きいことが好ましい。モジュール体の取付構造体が、中心に開口部を含み、開口部に圧電装置が配設されてもよい。更に、開口部の面積は、圧電層の圧電効果を発生する部分の面積よりも大きいことが好ましい。また、圧電装置は、取付構造体に対し着脱可能であってもよい。更に、上記のモジュール体が配置された液体容器であることが好ましい。
【００１０】
なお上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではなく、これらの特徴群のサブコンビネーションも又発明となりうる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の圧電装置、モジュール体、及び液体容器は、液体の残量を正確に検出でき、かつ複雑なシール構造が不要である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態はクレームにかかる発明を限定するものではなく、又実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【００１３】
本発明の基本的概念は、振動現象を利用することで、液体容器内の液体の状態（液体容器内の液体の有無、液体の量、液体の水位、液体の種類、液体の組成を含む）を検出することである。具体的な振動現象を利用した液体容器内の液体の状態の検出としてはいくつかの方法が考えられる。例えば弾性波発生手段が液体容器の内部に対して弾性波を発生し、液面あるいは対向する壁によって反射する反射波を受波することで、液体容器内の媒体およびその状態の変化を検出する方法がある。また、これとは別に、振動する物体の振動特性から音響インピーダンスの変化を検知する方法もある。音響インピーダンスの変化を利用する方法としては、圧電素子を有する圧電装置またはアクチュエータの振動部を振動させ、その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、共振周波数または逆起電力波形の振幅を検出することで音響インピーダンスの変化を検知する方法や、測定機、例えば伝送回路等のインピーダンスアナライザによって液体のインピーダンス特性またはアドミッタンス特性を測定し、電流値や電圧値の変化または、振動を液体に与えたときの電流値や電圧値の周波数による変化を測定する方法がある。以下、圧電装置またはアクチュエータの動作原理の詳細について説明する。
【００１４】
図１および図２は、圧電装置の一実施形態であるアクチュエータ１０６の詳細および等価回路を示す。ここでいうアクチュエータは、少なくとも音響インピーダンスの変化を検知して液体容器内の液体の消費状態を検出する方法に用いられる。特に、残留振動により共振周波数の検出することで、少なくとも音響インピーダンスの変化を検知して液体容器内の液体の消費状態を検出する方法に用いられる。図１（Ａ）は、アクチュエータ１０６の拡大平面図である。図１（Ｂ）は、アクチュエータ１０６のＢ−Ｂ断面を示す。図１（Ｃ）は、アクチュエータ１０６のＣ−Ｃ断面を示す。さらに図２（Ａ)および図２（Ｂ)は、アクチュエータ１０６の等価回路を示す。また、図２（Ｃ)および図２（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２（Ｅ)および図２（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。
【００１５】
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）に配備される振動板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、かつ両者を電気的に結合する補助電極１７２と、を有する。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円形部分を有する。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は圧電素子を形成する。
【００１６】
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、振動板１７６の開口１６１と面する部分と基板１７８の表面の開口１６１とによって形成される。基板１７８の圧電素子とは反対側の面（以下、裏面という）は液体容器側に面しており、キャビティ１６２は液体と接触するように構成されている。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る。
【００１７】
下部電極１６６は振動板１７６の表面、即ち液体容器とは反対側の面に位置しており、下部電極１６６の主要部である円形部分の中心と開口１６１の中心とが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の円形部分の面積が開口１６１の面積よりも小さくなるように設定されている。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形成されている。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。
【００１８】
一方、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形成される。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。
【００１９】
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て、圧電層１６０を効果的に変形駆動することができる。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。上述のように圧電素子は振動板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。この構造によって、振動板１７６のうち実際に振動する振動領域は、開口１６１によって決定される。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の円形部分は開口１６１より面積が小さいので、振動板１７６がより振動しやすくなる。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のうち圧電効果を発生する部分を決定する。
【００２０】
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て、圧電層１６０を効果的に変形駆動することができる。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。上述のように圧電素子は振動板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。この構造によって、振動板１７６のうち実際に振動する振動領域は、開口１６１によって決定される。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の円形部分は開口１６１より面積が小さいので、振動板１７６がより振動しやすくなる。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のうち圧電効果を発生する部分を決定する。
【００２１】
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の中心とほぼ一致する。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のほぼ中心に設けられている。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。更に、圧電素子の主部及び、振動板１７６の振動部分が、円形な形状を有するので、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。
【００２２】
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る不要な振動を励起しないようにすることができる。そのため、共振周波数の検出精度が向上する。更に、振動部が、アクチュエータ中心に対して対称な形状であるので、製造しやすく、圧電素子ごとの形状のばらつきを小さくできる。したがって、圧電素子ごとの共振周波数のばらつきが小さくなる。また、振動部が、等方的な形状であるので、接着の際、固定のばらつきの影響を受けにくい。液体容器に均等に接着される。したがって、アクチュエータ１０６の液体容器への実装性がよい。
【００２３】
更に、振動板１７６の振動部分が、円形な形状を有するので、圧電層１６０の残留振動の共振モードにおいて、低次、例えば一次の共振モードが支配的となり、単一のピークが出現する。そのため、ピークとノイズとを、明確に区別することができるので、共振周波数を明確に検出することができる。また、円形な形状の振動板１７６の振動部分の面積を大きくすることによって、逆起電力波形の振幅及び液体の有無による共振周波数の振幅の差が大きくなり、共振周波数の検出の精度を更に向上できる。
【００２４】
振動板１７６の振動による変位は、基板１７８の振動による変位よりもはるかに大きい。アクチュエータ１０６は、コンプライアンスの小さい、すなわち振動によって変位しにくい基板１７８と、コンプライアンスの大きい、すなわち振動によって変位しやすい振動板１７６との２層構造を有する。この２層構造によって、基板１７８によって液体容器に確実に固定されながら、かつ振動による振動板１７６の変位を大きくできるので、逆起電力波形の振幅及び液体の有無による共振周波数の振幅の差が大きくなり、共振周波数の検出の精度が向上できる。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。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。
【００２５】
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く、かりに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。
【００２６】
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。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する。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の強度を高めるのに対し、アクチュエータ１０６の圧電素子を薄くかつ小さくし、振動板１７６を薄くすることによって達成できる。
【００２７】
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く、基板１７８の材料として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。
【００２８】
上述したように構成されるアクチュエータ１０６は、液体を収容する容器に適用することができる。例えば、インクジェット記録装置に用いられるインクカートリッジやインクタンク、あるいは記録ヘッドを洗浄するための洗浄液を収容した容器などに装着することができる。
【００２９】
図１および図２に示されるアクチュエータ１０６は、液体容器の所定の場所に、キャビティ１６２を液体容器内に収容される液体と接触するように装着される。液体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。一方、液体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内には液体は存在しないか、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。アクチュエータ１０６は、この状態の変化に起因する、少なくとも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、液体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。さらに、アクチュエータ１０６は、液体容器内の液体の種類も検出することが可能である。
【００３０】
ここで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。
【００３１】
媒体の音響インピーダンスの変化を検出するには、媒体のインピーダンス特性またはアドミッタンス特性を測定する。インピーダンス特性またはアドミッタンス特性を測定する場合には、例えば伝送回路を利用することができる。伝送回路は、媒体に一定電圧を印加し、周波数を変えて媒体に流れる電流を測定する。または、伝送回路は、媒体に一定電流を供給し、周波数を変えて媒体に印加される電圧を測定する。伝送回路で測定された電流値または電圧値の変化は音響インピーダンスの変化を示す。また、電流値または電圧値が極大または極小となる周波数ｆｍの変化も音響インピーダンスの変化を示す。
【００３２】
上記の方法とは別に、アクチュエータは、液体の音響インピーダンスの変化を共振周波数のみの変化を用いて検出することができる。液体の音響インピーダンスの変化を利用する方法として、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共振周波数を検出する方法を用いる場合には、例えば圧電素子を利用することができる。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素子であり、アクチュエータの振動部の振幅によって逆起電力の大きさが変化する。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しやすい。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。従って、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。
【００３３】
共振周波数ｆｓを得るために、振動部と媒体とが共振状態であるときの逆起電力測定によって得られた波形をフーリエ変換する。アクチュエータの振動は、一方向だけの変形ではなく、たわみや伸長等様々な変形をともなうので、共振周波数ｆｓを含め様々な周波数を有する。よって、圧電素子と媒体とが共振状態であるときの逆起電力の波形をフーリエ変換し、最も支配的な周波数成分を特定することで、共振周波数ｆｓを判断する。
【００３４】
周波数ｆｍは、媒体のアドミッタンスが極大またはインピーダンスが極小であるときの周波数である。共振周波数ｆｓとすると、周波数ｆｍは、媒体の誘電損失または機械的損失などによって、共振周波数ｆｓに対しわずかな誤差を生ずる。しかし、実測される周波数ｆｍから共振周波数ｆｓを導出することは手間がかかるため、一般には、周波数ｆｍを共振周波数に代えて使用する。ここで、アクチュエータ１０６の出力を伝送回路に入力することで、アクチュエータ１０６は少なくとも音響インピーダンスを検出することができる。
【００３５】
媒体のインピーダンス特性またはアドミッタンス特性を測定し周波数ｆｍを測定する方法と、アクチュエータの振動部におけ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共振周波数ｆｓを測定する方法と、によって特定される共振周波数に差がほとんど無いことが実験によって証明されている。
【００３６】
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。液体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、振動領域は液体容器内の液体と接触する。一方で、液体容器内に液体が充分にない場合には、振動領域は液体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。
【００３７】
本発明のアクチュエータ１０６にはキャビティ１６２が設けられ、それによって、アクチュエータ１０６の振動領域に液体容器内の液体が残るように設計できる。その理由は次の通りである。
【００３８】
アクチュエータの液体容器への取り付け位置や取り付け角度によっては、液体容器内の液体の液面がアクチュエータの装着位置よりも下方にあるにもかかわらず、アクチュエータの振動領域に液体が付着してしまう場合がある。振動領域における液体の有無だけでアクチュエータが液体の有無を検出している場合には、アクチュエータの振動領域に付着した液体が液体の有無の正確な検出を妨げる。たとえば、液面がアクチュエータの装着位置よりも下方にある状態のとき、キャリッジの往復移動などにより液体容器が揺動して液体が波うち、振動領域に液滴が付着してしまうと、アクチュエータは液体容器内に液体が充分にあるとの誤った判断をしてしまう。そこで、逆にそこに液体を残存した場合であっても液体の有無を正確に検出するように設計されたキャビティを積極的に設けることで、液体容器が揺動して液面が波立ったとしても、アクチュエータの誤動作を防止することができる。このように、キャビティを有するアクチュエータを用いることで、誤動作を防ぐことができる。
【００３９】
また、図２（Ｅ)に示すように、液体容器内に液体が無く、アクチュエータ１０６のキャビティ１６２に液体容器内の液体が残っている場合を、液体の有無の閾値とする。すなわち、キャビティ１６２の周辺に液体が無く、この閾値よりキャビティ内の液体が少ない場合は、インク無しと判断し、キャビティ１６２の周辺に液体が有り、この閾値より液体が多い場合は、インク有りと判断する。例えば、アクチュエータ１０６を液体容器の側壁に装着した場合、液体容器内の液体がアクチュエータの装着位置よりも下にある場合をインク無しと判断し、液体容器内の液体がアクチュエータの装着位置より上にある場合をインク有りと判断する。このように閾値を設定することによって、キャビティ内のインクが乾燥してインクが無くなったときであってもインク無しと判断し、キャビティ内のインクが無くなったところにキャリッジの揺れなどで再度インクがキャビティに付着しても閾値を越えないので、インク無しと判断することができる。
【００４０】
ここで、図１および図２を参照しながら逆起電力の測定によ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液体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。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。圧電層１６０のうち、上部電極１６４および下部電極１６６に挟まれた部分には電界が生じる。その電界によって、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。
【００４１】
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、電圧を印加した後に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の振動部を振動させるため、圧電層１６０をも変形する。従って、圧電層１６０は逆起電力を発生する。その逆起電力は、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ため、液体容器内の液体の状態を検出することができる。
【００４２】
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。
【００４３】
図１（Ｃ）は、本実施例において、キャビティ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２（Ａ)および図２（Ｂ)は、キャビティ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。
【００４４】
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、さらに詳細には、図２（Ａ)に示すように、
Ｍact＝Ｍpzt＋Ｍelectrode1＋Ｍelectrode2＋Ｍvib （式２）
と表される。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。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、本実施例では、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。また、本実施例において、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。
【００４５】
尚、図２（Ａ)、図２（Ｂ)、図２（Ｄ)、図２（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。
【００４６】
1/Ｃact＝（1/Ｃpzt）＋（1/Ｃelectrode1）＋（1/Ｃelectrode2）＋（1/Ｃvib） （式３）
式２および式３より、図２（Ａ)は、図２（Ｂ)のように表すこともできる。
【００４７】
コンプライアンスＣactは、振動部の単位面積に圧力をかけたときの変形によって媒体を受容できる体積を表す。また、コンプライアンスＣactは、変形のし易さを表すといってもよい。
【００４８】
図２（Ｃ)は、液体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２（Ｃ)のＭ'maxは、液体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の最大値を表す。Ｍ' maxは、
【００４９】
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。）
【００５０】
で表される。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の作用によって、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。
【００５１】
波数kは、
ｋ＝２＊π＊ｆact／ｃ （式５）
（factは液体が触れていないときの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。）
【００５２】
で表される。
【００５３】
図２（Ｄ)は、液体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２（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。
【００５４】
図２（Ｅ)は、液体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。式４は、例えば、液体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、液体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なった場合には、
【００５５】
Ｍ'＝ρ*ｔ/Ｓ （式６）
と表せる。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。この振動領域が半径ａの円形の場合は、Ｓ＝π*ａ2である。従って、付加イナータンスＭ'は、液体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なった場合には、式６に従う。
【００５６】
ここで、図２（Ｅ)のように、液体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。
【００５７】
図２（Ｆ)は、液体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２（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。
【００５８】
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。液体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し、液体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２（Ｃ)のＭ'maxから図２（Ｅ)のＭ'cavへ移行する過程における付加イナータンスをＭ'varとすると、液体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が変化するため、付加イナータンスＭ'varが変化し、共振周波数ｆｓも変化することになる。従って、共振周波数ｆｓを特定することによって、液体容器内の液体の有無を検出することができる。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、
【００５９】
Ｍ'cav＝ρ*ｄ/Ｓ （式７）
となる。
【００６０】
また、媒体が互いに種類の異なる液体であっても、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´が変化し、共振周波数ｆｓも変化する。従って、共振周波数ｆｓを特定することで、液体の種類を検出できる。
尚、アクチュエータ１０６の振動部にインクまたは空気のいずれか一方のみが接触し、混在していない場合には、式４によって計算しても、Ｍ'の相違を検出できる。
【００６１】
図３（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。
【００６２】
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、アクチュエータ１０６のキャビティ１６２のｄ(図１（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２（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。例えば、インクカートリッジの底面にアクチュエータ１０６をインクの液面に対してほぼ水平に配備する。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ｔの高さ以下に達すると、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。
【００６３】
また、アクチュエータ１０６の振動領域を大きくまたは長くし、かつ縦に配置することによってインクの消費による液面の位置にしたがって、式６中のＳが変化する。従って、アクチュエータ１０６は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。例えば、インクカートリッジの側壁にアクチュエータ１０６をインクの液面に対してほぼ垂直に配備する。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'が減少するので、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の径２ａ（図２（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。
【００６４】
図３(Ａ)の曲線Ｘは、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、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。
【００６５】
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。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とすると、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、
【００６６】
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。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。
【００６７】
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、
【００６８】
1/Ｍ'＝1/Ｍ'air＋1/Ｍ'ink＝Ｓair/（ρair*ｔair）+Ｓink/（ρink*ｔink） （式９）
となる。
【００６９】
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については、式７、式８および式９によって計算することができる。
【００７０】
一方、基板１７８が厚く、即ち、キャビティ１６２の深さｄが深く、ｄが媒体の厚さｔink-maxに比較的近い場合や、液体容器の高さに比して振動領域が非常に小さいアクチュエータを用いる場合には、実際上はインクが徐々に減少する過程を検出するというよりはインクの液面がアクチュエータの装着位置より上位置か下位置かを検出することになる。換言すると、アクチュエータの振動領域におけるインクの有無を検出することになる。例えば、図３(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検出することができる。
【００７１】
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、液体容器への取付位置及びインクの種類によって影響されるが、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、液体容器への取付位置及びインクの種類によって、影響されない。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の双方を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液体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、液体容器を安価に製造できる。更に、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できる。
【００７２】
図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の曲線Ｙにおけるインクの密度とインクおよび振動部の共振周波数ｆｓとの関係を示す。液体の例としてインクを挙げている。図３（Ｂ）に示すように、インク密度が高くなると、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。
【００７３】
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。
【００７４】
続いて、液体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の、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。
【００７５】
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の作用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ことによる振動部の質量の増加分をいう。
【００７６】
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、液体容器内に液体が満たされている状態と同じである。この場合にはＭ'が変化しないので、共振周波数ｆｓも変化しない。従って、アクチュエータ１０６は、液体容器内の液体の状態を検出できないことになる。
【００７７】
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液体容器内の気体または真空である。このときには液体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、液体容器内の液体の状態を検出できる。
【００７８】
即ち、液体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。
【００７９】
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、
【００８０】
Ｍ'max＞ρ＊ｄ/πa2 （式１０）
である。式１０を展開すると
【００８１】
ａ／ｄ＞３＊π／８ （式１１）
という条件が求められる。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。円形でない場合のＭ'maxの式を用い、式１０中のπa2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。
【００８２】
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、液体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。
【００８３】
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。
【００８４】
また、本実施例によれば、アクチュエータ１０６が振動を発生してその後の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している。しかし、アクチュエータ１０６の振動部が駆動電圧による自らの振動によって液体に振動を与えることは必ずしも必要ではない。即ち、振動部が自ら発振しなくても、それと接触しているある範囲の液体と共に振動することで、圧電層１６０がたわみ変形する。この残留振動が圧電層１６０に逆起電力電圧を発生させ、上部電極１６４および下部電極１６６にその逆起電力電圧を伝達する。この現象を利用することで媒体の状態を検出してもよい。例えば、インクジェット記録装置において、印字時における印字ヘッドの走査によるキャリッジの往復運動による振動によって発生するアクチュエータの振動部の周囲の振動を利用してインクタンクまたはその内部のインクの状態を検出してもよい。
【００８５】
図４(Ａ) および図４（Ｂ）は、アクチュエータ１０６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水位の上下は、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４(Ａ) および図４（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４(Ａ) および図４（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する。
【００８６】
図４(Ａ) および図４（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することによって、インクの有無を検出する。
【００８７】
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。デジタル信号を４カウントから８カウントまでの間をＨｉｇｈとし、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。
【００８８】
図４（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４（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４（Ａ）と図４（Ｂ）とを比較すると、図４（Ａ）の方が図４（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カウントまでの時間が異なる。この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。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する。それによって、共振周波数を求める。クロックパルスは、インクカートリッジに取り付けられる半導体記憶装置等を制御するためのクロックと等しいクロックのパルスであることが好ましい。尚、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４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。
【００８９】
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。
【００９０】
また、他の実施例として所定期間内における逆起電力の電圧波形の波数を数えてもよい（図示せず）。この方法によっても共振周波数を求めることができる。より詳細には、アクチュエータ１０６が発振した後、所定期間だけデジタル信号をＨｉｇｈとし、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。そのカウント数を計測することによってインクの有無を検出できるのである。
【００９１】
さらに、図４(Ａ)および図４(Ｂ)を比較して分かるように、インクがインクカートリッジ内に満たされている場合とインクがインクカートリッジ内に無い場合とでは、逆起電力波形の振幅が異なる。従って、共振周波数を求めることなく、逆起電力波形の振幅を測定することによっても、インクカートリッジ内のインクの消費状態を検出してもよい。より詳細には、例えば、図４(Ａ)の逆起電力波形の頂点と図４(Ｂ) の逆起電力波形の頂点との間に基準電圧を設定する。アクチュエータ１０６が発振した後、所定時間にデジタル信号をＨｉｇｈとし、逆起電力波形が基準電圧を横切った場合には、インクが無いと判断する。逆起電力波形が基準電圧を横切らない場合には、インクが有ると判断する。
【００９２】
図５は、アクチュエータ１０６の製造方法を示す。複数のアクチュエータ１０６（図５の例では４個）が一体に形成されている。図５に示した複数のアクチュエータの一体成形物を、それぞれのアクチュエータ１０６において切断することにより、図６に示すアクチュエータ１０６を製造する。図５に示す一体成形された複数のアクチュエータ１０６のそれぞれの圧電素子が円形である場合、一体成形物をそれぞれのアクチュエータ１０６において切断することにより、図１に示すアクチュエータ１０６を製造することができる。複数のアクチュエータ１０６を一体に形成することにより、複数のアクチュエータ１０６を同時に効率良く製造することができ、運搬時の取り扱いが容易となる。
【００９３】
アクチュエータ１０６は、薄板又は振動板１７６、基板１７８、弾性波発生手段又は圧電素子１７４、端子形成部材又は上部電極端子１６８、及び端子形成部材又は下部電極端子１７０を有する。圧電素子１７４は、圧電振動板又は圧電層１６０、上電極又は上部電極１６４、及び下電極又は下部電極１６６を含む。基板１７８の上面に振動板１７６が、形成され、振動板１７６の上面に下部電極１６６が形成されている。下部電極１６６の上面には、圧電層１６０が形成され、圧電層１６０の上面に、上部電極１６４が、形成されている。したがって、圧電層１６０の主要部は、上部電極１６４の主要部及び下部電極１６６の主要部によって、上下から挟まれるように形成されている。
【００９４】
振動板１７６上に複数（図５の例では４個）の圧電素子１７４が形成されている。振動板１７６の表面に下部電極１６６が形成され、下部電極１６６の表面に圧電層１６０が形成され、圧電層１６０の上面に上部電極１６４が形成される。上部電極１６４及び下部電極１６６の端部に上部電極端子１６８及び下部電極端子１７０が形成される。４個のアクチュエータ１０６は、それぞれ別々に切断されて個別に使用される。
【００９５】
図６は、圧電素子が矩形のアクチュエータ１０６の一部分の断面を示す。
【００９６】
図７は、図６に示したアクチュエータ１０６の全体の断面を示す。基板１７８の圧電素子１７４と対向する面には、貫通孔１７８ａが形成されている。貫通孔１７８ａは振動板１７６によって封止されている。振動板１７６はアルミナや酸化ジルコニア等の電気絶縁性を備え、かつ弾性変形可能な材料によって形成されている。貫通孔１７８ａと対向するように、圧電素子１７４が振動板１７６上に形成されている。下部電極１６６は貫通孔１７８ａの領域から一方向、図７では左方に延びるように振動板１７６の表面に形成されている。上部電極１６４は貫通孔１７８ａの領域から下部電極とは反対の方向に、図７では右方に延びるように圧電層１６０の表面に形成されている。上部電極端子１６８及び下部電極端子１７０は、それぞれ補助電極１７２及び下部電極１６６の上面に形成されている。下部電極端子１７０は下部電極１６６と電気的に接触し、上部電極端子１６８は補助電極１７２を介して上部電極１６４と電気的に接触して、圧電素子とアクチュエータ１０６の外部との間の信号の受け渡しをする。上部電極端子１６８及び下部電極端子１７０は、電極と圧電層とを合わせた圧電素子の高さ以上の高さを有する。
【００９７】
図８は、図５に示したアクチュエータ１０６の製造方法を示す。まず、グリーンシート９４０にプレスあるいはレーザー加工等を用いて貫通孔９４０ａを穿孔する。グリーンシート９４０は焼成後に基板１７８となる。グリーンシート９４０はセラミック等の材料で形成される。次に、グリーンシート９４０の表面にグリーンシート９４１を積層する。グリーンシート９４１は、焼成後に振動板１７６となる。グリーンシート９４１は、酸化ジルコニア等の材料で形成される。次に、グリーンシート９４１の表面に導電層９４２、圧電層１６０、導電層９４４を圧膜印刷等の方法で順次形成する。導電層９４２は、後に下部電極１６６となり、導電層９４４は、後に上部電極１６４となる。次に、形成されたグリーンシート９４０、グリーンシート９４１、導電層９４２、圧電層１６０、及び導電層９４４を乾燥して焼成する。スペーサ部材９４７、９４８は、上部電極端子１６８と下部電極端子１７０の高さを底上げして圧電素子より高くする。スペーサ部材９４７、９４８は、グリーンシート９４０、９４１と同材料を印刷、あるいはグリーンシートを積層して形成する。このスペーサ部材９４７，９４８により貴金属である上部電極端子１６８及び下部電極端子１７０の材料が少なくて済む上に、上部電極端子１６８及び下部電極端子１７０の厚みを薄くできるので、上部電極端子１６８及び下部電極端子１７０を精度良く印刷でき、さらに安定した高さとすることができる。
【００９８】
導電層９４２の形成時に導電層９４４との接続部９４４'及びスペーサ部材９４７及び９４８を同時に形成すると、上部電極端子１６８及び下部電極端子１７０を容易に形成したり、強固に固定することができる。最後に、導電層９４２及び導電層９４４の端部領域に、上部電極端子１６８及び下部電極端子１７０を形成する。上部電極端子１６８及び下部電極端子１７０を形成する際、上部電極端子１６８及び下部電極端子１７０が、圧電層１６０に電気的に接続されるように形成する。
【００９９】
図９は、本発明が適用されるインクカートリッジのさらに他の実施形態を示す。図９（Ａ）は、本実施形態によるインクカートリッジの底部の断面図である。本実施形態のインクカートリッジは、インクを収容する容器１の底面１ａに貫通孔１ｃを有する。貫通孔１ｃの底部はアクチュエータ６５０によって塞がれ、インク溜部を形成する。
【０１００】
図９（Ｂ）は、図９（Ａ）に示したアクチュエータ６５０及び貫通孔１ｃの詳細な断面を示す。図９（Ｃ）は、図９（Ｂ）に示したアクチュエータ６５０及び貫通孔１ｃの平面を示す。アクチュエータ６５０は振動板７２および振動板７２に固定された圧電素子７３とを有する。振動板７２及び基板７１を介して圧電素子７３が貫通孔１ｃに対向するように、アクチュエータ６５０は、容器１の底面に固定される。振動板７２は、弾性変形可能で耐インク性を備える。
【０１０１】
容器１のインク量に依存して、圧電素子７３及び振動板７２の残留振動によって発生する逆起電力の振幅及び周波数が変化する。アクチュエータ６５０に対向する位置に貫通孔１ｃが形成されていて、最小限の一定量のインクが貫通孔１ｃに確保される。したがって、貫通孔１ｃに確保されるインク量により決まるアクチュエータ６５０の振動の特性を予め測定しておくことにより、容器１のインクエンドを確実に検出することができる。
【０１０２】
図１０は貫通孔１ｃの他の実施形態を示す。図１０（Ａ）、（Ｂ）、及び（Ｃ）のそれぞれにおいて、左側の図は、貫通孔１ｃにインクＫが無い状態を示し、右側の図は、貫通孔１ｃにインクＫが残った状態を示す。図９の実施形態においては、貫通孔１ｃの側面は垂直な壁として形成されている。図１０（Ａ）においては、貫通孔１ｃは、側面１ｄが上下方向に斜めであり外側に拡大して開いている。図１０（Ｂ）においては、段差部１ｅ及び１ｆが、貫通孔１ｃの側面に形成されている。上方にある段差部１ｆが、下方にある段差部１ｅより広くなっている。図１０（Ｃ）においては、貫通孔１ｃは、インクＫを排出しやすい方向、すなわちインク供給口２の方向へ延びる溝１ｇを有する。
【０１０３】
図１０(Ａ)〜（Ｃ）に示した貫通孔１ｃの形状によれば、インク溜部のインクＫの量を少なくできる。従って、図１および図２で説明したＭ'ｃａｖをＭ'ｍａｘと比較して小さくすることができるので、インクエンド時におけるアクチュエータ６５０の振動特性を、容器１に印刷可能な量のインクＫが残存している場合と大きく異ならせることができるので、インクエンドをより確実に検出することができる。
【０１０４】
図１１はアクチュエータの他の実施形態を示す斜視図である。アクチュエータ６６０は、アクチュエータ６６０を構成する基板または取付プレート７８の貫通孔１ｃよりも外側にパッキン７６を有する。アクチュエータ６６０の外周にはカシメ孔７７が形成されている。アクチュエータ６６０は、カシメ孔７７を介してカシメにより容器１に固定される。
【０１０５】
図１２（Ａ）、（Ｂ）は、アクチュエータの更に他の実施形態を示す斜視図である。本実施形態においては、アクチュエータ６７０は、凹部形成基板８０および圧電素子８２を備える。凹部形成基板８０の一方の面には凹部８１がエッチング等の手法により形成され、他方の面には圧電素子８２が取り付けられる。凹部形成基板８０のうち、凹部８１の底部が振動領域として作用する。従って、アクチュエータ６７０の振動領域は凹部８１の周縁によって規定される。また、アクチュエータ６７０は、図１の実施例によるアクチュエータ１０６のうち、基板１７８および振動板１７６が一体として形成された構造と類似する。従って、インクカートリッジを製造する際に製造工程を短縮することができ、コストを低減させる。アクチュエータ６７０は、容器１に設けられた貫通孔１ｃに埋め込み可能なサイズである。それによって、凹部８１がキャビティとしても作用することができる。尚、図１の実施例によるアクチュエータ１０６を、図１２の実施例によるアクチュエータ６７０と同様に貫通孔１ｃに埋め込み可能なように形成してもよい。
【０１０６】
図１３は、アクチュエータ１０６を取り付けモジュール体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。本実施形態のモジュール体１００は、容器１にアクチュエータ１０６を取り付けるための液体容器取付部１０１を有する。液体容器取付部１０１は、平面がほぼ矩形の基台１０２上に駆動信号により発振するアクチュエータ１０６を収容した円柱部１１６を載せた構造になっている。モジュール体１００が、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ので、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。
【０１０７】
図１４は、図１３に示したモジュール体１００の構成を示す分解図である。モジュール体１００は、樹脂からなる液体容器取付部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、およびフィルム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。液体容器取付部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を収容できるよう中心部に開口部１１４が形成され、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凹部１１３が形成される。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は液体容器取付部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およびプレート１１０は、液体容器取付部１０１に一体として取り付けられる。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し、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。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。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、液体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。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。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に接着する前と後における共振周波数の変化が小さい。
【０１０８】
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１０４、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１０４、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。更に、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】
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１および図２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、貫通孔１１２とキャビティ１６２は、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-パ形状であっても良いしステップ形状でもよい。モジュール体１００は、貫通孔１１２が容器１の内側へ向くように容器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ので、インクの水位変化を検出することができる。
【０１１０】
図１５は、モジュール体の他の実施形態を示す斜視図である。本実施形態のモジュール体４００は、液体容器取付部４０１に圧電装置装着部４０５が形成されている。液体容器取付部４０１は、平面がほぼ角丸の正方形上の基台４０２上に円柱状の円柱部４０３が形成されている。更に、圧電装置装着部４０５は、円柱部４０３上に立てられた板状要素４０６および凹部４１３を含む。板状要素４０６の側面に設けられた凹部４１３には、アクチュエータ１０６が配置される。なお、板状要素４０６の先端は所定角度に面取りされていて、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。
【０１１１】
図１６は、図１５に示したモジュール体４００の構成を示す分解斜視図である。図１３に示したモジュール体１００と同様に、モジュール体４００は、液体容器取付部４０１および圧電装置装着部４０５を含む。液体容器取付部４０１は基台４０２および円柱部４０３を有し、圧電装置装着部４０５は板状要素４０６および凹部４１３を有する。アクチュエータ１０６は、プレート４１０に接合されて凹部４１３に固定される。モジュール体４００は、リードワイヤ４０４ａ及び４０４ｂ、アクチュエータ１０６、及びフィルム４０８をさらに有する。
【０１１２】
本実施形態によれば、プレート４１０は矩形状であり、板状要素４０６に設けられた開口部４１４は矩形状に形成されている。リードワイヤ４０４ａ及び４０４ｂ、アクチュエータ１０６、フィルム４０８、及びプレート４１０は基台４０２に対して着脱可能として構成しても良い。アクチュエータ１０６、フィルム４０８、及びプレート４１０は、開口部４１４の中心を通り、開口部４１４の平面に対して鉛直方向に延びる中心軸に対して対称に配置されている。更に、アクチュエータ４０６、フィルム４０８、及びプレート４１０の中心は、開口部４１４のほぼ中心軸上に配置されている。
【０１１３】
プレート４１０の中心に設けられた貫通孔４１２の面積は、アクチュエータ１０６のキャビティ１６２の開口の面積よりも大きく形成されている。アクチュエータ１０６のキャビティ１６２と貫通孔４１２とは、共にインク溜部を形成する。プレート４１０の厚さは貫通孔４１２の径に比べて小さく、例えば貫通孔４１２の径の３分の１以下の大きさに設定することが好ましい。貫通孔４１２は、モジュール体４００の中心軸に対して対称なほぼ真円の形状である。貫通孔４１２の断面の周縁はテ-パ形状であっても良いしステップ形状でもよい。モジュール体４００は、貫通孔４１２が容器１の内部に配置されるように容器１の底部に装着することができる。アクチュエータ１０６が垂直方向に延びるように容器１内に配置されるので、基台４０２の高さを変えてアクチュエータ１０６が容器１内に配置される高さを変えることによりインクエンドの時点の設定を容易に変えることができる。
【０１１４】
図１７は、モジュール体の更に他の実施形態を示す。図１３に示したモジュール体１００と同様に、図１７のモジュール体５００は、基台５０２および円柱部５０３を有する液体容器取付部５０１を含む。また、モジュール体５００は、リードワイヤ５０４ａ及び５０４ｂ、アクチュエータ１０６、フィルム５０８、及びプレート５１０をさらに有する。液体容器取付部５０１に含まれる基台５０２は、リードワイヤ５０４ａ及び５０４ｂを収容できるよう中心部に開口部５１４が形成され、アクチュエータ１０６、フィルム５０８、及びプレート５１０を収容できるように凹部５１３が形成される。プアクチュエータ１０６はプレート５１０を介して圧電装置装着部５０５に固定される。従って、リードワイヤ５０４ａ及び５０４ｂ、アクチュエータ１０６、フィルム５０８およびプレート５１０は、液体容器取付部５０１に一体として取り付けられる。本実施形態のモジュール体５００は、平面がほぼ角丸の正方形上の基台上に上面が上下方向に斜めな円柱部５０３が形成されている。円柱部５０３の上面の上下方向に斜めに設けられた凹部５１３上にアクチュエータ１０６が配置されている。
【０１１５】
モジュール体５００の先端は傾斜しており、その傾斜面にアクチュエータ１０６が装着されている。そのため、モジュール体５００が容器１の底部又は側部に装着されると、アクチュエータ１０６が容器１の上下方向に対して傾斜する。モジュール体５００の先端の傾斜角度は、検出性能を鑑みてほぼ３０°から６０°の間とすることが望ましい。
【０１１６】
モジュール体５００は、アクチュエータ１０６が容器１内に配置されるように容器１の底部又は側部に装着される。モジュール体５００が容器１の側部に装着される場合には、アクチュエータ１０６が、傾斜しつつ、容器１の上側、下側、又は横側を向くように容器１に取り付けられる。一方、モジュール体５００が、容器１の底部に装着される場合には、アクチュエータ１０６が、傾斜しつつ、容器１のインク供給口側を向くように容器１に取り付けられることが好ましい。
【０１１７】
図１８は、図１３に示したモジュール体１００を容器１に装着したときのインク容器の底部近傍の断面図である。モジュール体１００は、容器１の側壁を貫通するように装着されている。容器１の側壁とモジュール体１００との接合面には、Ｏリング３６５が設けられ、モジュール体１００と容器１との液密を保っている。Ｏリングでシールが出来るようにモジュール体１００は図１３で説明したような円柱部を備えることが好ましい。モジュール体１００の先端が容器１の内部に挿入されることで、プレート１１０の貫通孔１１２を介して容器１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。また、モジュール体１００に限らず、図１５に示したモジュール体４００、図１７に示したモジュール体５００、又は図１９及び図２０に示したモジュール体７００Ａ、７００Ｂ、７５０Ａ、及び７５０Ｂ、及びモールド構造体６００を容器１に装着してインクの有無を検出してもよい。
【０１１８】
図１９は、モジュール体１００の更に他の実施形態を示す。図１９（Ａ）のモジュール体７５０Ａはアクチュエータ１０６と基台部３６０とを有する。モジュール体７５０Ａは前面が容器１の側壁の内面と同一面となるように、容器１に装着されている。アクチュエータ１０６は、圧電層１６０、上部電極１６４、下部電極１６６、及び振動板１７６を含む。振動板１７６の上面に下部電極１６６が形成されている。下部電極１６６の上面には圧電層１６０が形成され、圧電層１６０の上面に上部電極１６４が形成されている。したがって、圧電層１６０は、上部電極１６４及び下部電極１６６によって上下から挟まれるように形成されている。圧電層１６０、上部電極１６４、及び下部電極１６６は、圧電素子を形成する。圧電素子は振動板１７６上に形成される。圧電素子及び振動板１７６の振動領域はアクチュエータが実際に振動する振動部である。容器１の側壁には貫通孔３８５が設けられている。したがって、インクは容器１の貫通孔３８５を介して振動板１７６と接触する。
【０１１９】
次に図１９（Ａ）に示したモジュール体７５０Ａの動作について説明する。上部電極１６４及び下部電極１６６は圧電層１６０に駆動信号を伝達し、圧電層１６０が検出した共振周波数の信号を記録装置に伝達する。圧電層１６０は上部電極１６４及び下部電極１６６によって伝達された駆動信号により発振して残留振動する。この残留振動により圧電層１６０は逆起電力を発生する。逆起電力波形の振動周期をカウントし、その時点での共振周波数を検出することでインクの有無を検出できる。モジュール体７５０Ａは、アクチュエータ１０６がアクチュエータ１０６の振動部の圧電素子側とは反対の面、すなわち、図１９（Ａ）では、振動板１７６のみが、インク容器１内のインクと接触するように容器１に装着される。図１９（Ａ）のモジュール体７５０Ａは、図１３から図１７に示したリードワイヤ１０４ａ、１０４ｂ、４０４ａ、４０４ｂ、５０４ａ、及び５０４ｂの電極のモジュール体１００への埋め込みが不要となる。そのため成形工程が簡素化される。更に、モジュール体７５０Ａの交換が可能となりリサイクルが可能となる。また更に、アクチュエータ１０６は基台部３６０により保護されているのでアクチュエータ１０６を外部との接触から保護できる。
【０１２０】
図１９（Ｂ）はモジュール体７５０Ｂの更に他の実施形態を示す。図１９（Ｂ）のモジュール体７５０Ｂはアクチュエータ１０６と基台部３６０とを有する。モジュール体７５０Ｂは前面が容器１の側壁の内面と同一面となるように、容器１に装着されている。アクチュエータ１０６は、圧電層１６０、上部電極１６４、下部電極１６６、及び振動板１７６を含む。振動板１７６の上面に下部電極１６６が形成されている。下部電極１６６の上面には圧電層１６０が形成され、圧電層１６０の上面に上部電極１６４が形成されている。したがって、圧電層１６０は、上部電極１６４及び下部電極１６６によって上下から挟まれるように形成されている。圧電層１６０、上部電極１６４、及び下部電極１６６は、圧電素子を形成する。圧電素子は振動板１７６上に形成される。圧電素子及び振動板１７６の振動領域はアクチュエータが実際に振動する振動部である。容器１の側壁には薄壁部３８０が設けられている。モジュール体７５０Ｂは、アクチュエータ１０６がアクチュエータ１０６の振動部の圧電素子側とは反対の面、すなわち、図１９（Ｂ）では、振動板１７６のみが、インク容器１の薄壁部３８０と接触するように容器１に装着される。したがって、アクチュエータ１０６の振動部は、薄壁部３８０と共に残留振動する。
【０１２１】
次に図１９（Ｂ）に示したモジュール体７５０Ｂの動作について説明する。上部電極１６４及び下部電極１６６は圧電層１６０に駆動信号を伝達し、圧電層１６０が検出した共振周波数の信号を記録装置に伝達する。圧電層１６０は上部電極１６４及び下部電極１６６によって伝達された駆動信号により発振して共振周期で振動する。振動板１７６が、容器１の薄壁部３８０と接触するので、アクチュエータ１０６の振動部は、薄壁部３８０と共に残留振動する。薄壁部３８０の容器１の内面側は、インクと接触するので、アクチュエータ１０６が、薄壁部３８０と共に残留振動する際、この残留振動の共振周波数及び振幅は、インク残量により変化する。この残留振動により圧電層１６０は逆起電力を発生する。逆起電力波形の振動周期をカウントし、その時の共振周波数を検出することによりインク残量を検出することができる。
【０１２２】
図１９（Ｂ）のモジュール体７５０Ｂは、図１３から図１７に示したリードワイヤ１０４ａ、１０４ｂ、４０４ａ、４０４ｂ、５０４ａ、及び５０４ｂの電極のモジュール体１００への埋め込みが不要となる。そのため成形工程が簡素化される。更に、モジュール体７５０Ｂの交換が可能となりリサイクルが可能となる。また更に、アクチュエータ１０６は基台部３６０により保護されているのでアクチュエータ１０６を外部との接触から保護できる。
【０１２３】
図２０（Ａ）はモジュール体７００Ｂを容器１に装着したときのインク容器の断面図を示す。本実施例では取付構造体の１つとしてモジュール体７００Ｂを使用する。モジュール体７００Ｂは、液体容器取付部３６０が容器１の内部に突出するようにして容器１に装着されている。取付プレート３５０には貫通孔３７０が形成され、貫通孔３７０とアクチュエータ１０６の振動部が面している。更に、モジュール体７００Ｂの底壁には孔３８２が形成され、圧電装置装着部３６３が形成される。アクチュエータ１０６が孔３８２の一方を塞ぐようにして配備される。したがって、インクは、圧電装置装着部３６３の孔３８２及び取付プレート３５０の貫通孔３７０を介して振動板１７６と接触する。圧電装置装着部３６３の孔３８２及び取付プレート３５０の貫通孔３７０は、共にインク溜部を形成する。圧電装置装着部３６３とアクチュエータ１０６とは、取付プレート３５０及びフィルム部材によって固定されている。液体容器取付部３６０と容器１との接続部にはシーリング構造３７２が設けられている。シーリング構造３７２は合成樹脂等の可塑性の材料により形成されてもよいし、Ｏリングにより形成されてもよい。図２０（Ａ）のモジュール体７００Ｂと容器１とは別体であるが、図２０（Ｂ）ようにモジュール体７００Ｂの圧電装置装着部を容器１の一部で構成してもよい。
【０１２４】
図２０（Ａ）のモジュール体７００Ｂは、図１３から図１７に示したリードワイヤのモジュール体への埋め込みが不要となる。そのため成形工程が簡素化される。更に、モジュール体７００Ｂの交換が可能となりリサイクルが可能となる。
【０１２５】
インクカートリッジが揺れる際にインクが容器１の上面あるいは側面に付着し、容器１の上面あるいは側面から垂れてきたインクがアクチュエータ１０６に接触することでアクチュエータ１０６が誤作動する可能性がある。しかし、モジュール体７００Ｂは液体容器取付部３６０が容器１の内部に突出しているので、容器１の上面や側面から垂れてきたインクによりアクチュエータ１０６が誤作動しない。
【０１２６】
また、図２０（Ａ）の実施例では、振動板１７６と取付プレート３５０の一部のみが、容器１内のインクと接触するように容器１に装着される。図２０（Ａ）の実施例では、図１３から図１７に示したリードワイヤ１０４ａ、１０４ｂ、４０４ａ、４０４ｂ、５０４ａ、及び５０４ｂの電極のモジュール体への埋め込みが不要となる。そのため成形工程が簡素化される。更に、アクチュエータ１０６の交換が可能となりリサイクルが可能となる。
【０１２７】
図２０（Ｂ）は、アクチュエータ１０６を容器１に装着したときの実施例としてインク容器の断面図を示す。図２０（Ｂ）の実施例によるインクカートリッジでは、保護部材３６１はアクチュエータ１０６とは別体として容器１に取り付けられている。従って、保護部材３６１とアクチュエータ１０６とはモジュールとして一体となっていないが、一方で、保護部材３６１はアクチュエータ１０６にユーザーの手が触れないように保護することができる。アクチュエータ１０６の前面に設けられる孔３８０は、容器１の側壁に配設されている。アクチュエータ１０６は、圧電層１６０、上部電極１６４、下部電極１６６、振動板１７６及び取付プレート３５０を含む。取付プレート３５０の上面に振動板１７６が形成され、振動板１７６の上面に下部電極１６６が形成されている。下部電極１６６の上面には圧電層１６０が形成され、圧電層１６０の上面に上部電極１６４が形成されている。したがって、圧電層１６０の主要部は、上部電極１６４の主要部及び下部電極１６６の主要部によって上下から挟まれるように形成されている。圧電層１６０、上部電極１６４、及び下部電極１６６のそれぞれの主要部である円形部分は、圧電素子を形成する。圧電素子は振動板１７６上に形成される。圧電素子及び振動板１７６の振動領域はアクチュエータが実際に振動する振動部である。取付プレート３５０には貫通孔３７０が設けられている。更に、容器１の側壁には孔３８０が形成されている。したがって、インクは、容器１の孔３８０及び取付プレート３５０の貫通孔３７０を介して振動板１７６と接触する。容器１の孔３８０及び取付プレート３５０の貫通孔３７０は、共にインク溜部を形成する。また、図２０（Ｂ）の実施例では、アクチュエータ１０６は保護部材３６１により保護されているのでアクチュエータ１０６を外部との接触から保護できる。
【０１２８】
尚、図２０（Ａ）および（Ｂ）の実施例における取付プレート３５０に代えて、図１の基板１７８を使用してもよい。
【０１２９】
図２０（Ｃ）はアクチュエータ１０６を含むモールド構造体６００を備える実施形態を示す。本実施例では、取付構造体の１つとしてモールド構造体６００を使用する。モールド構造体６００はアクチュエータ１０６とモールド部３６４とを有する。アクチュエータ１０６とモールド部３６４とは一体に成形されている。モールド部３６４はシリコン樹脂等の可塑性の材料によって成形される。モールド部３６４は内部にリードワイヤ３６２を有する。モールド部３６４はアクチュエータ１０６から延びる２本の足を有するように形成されている。モールド部３６４はモールド部３６４と容器１とを液密に固定するために、モールド部３６４の２本の足の端が半球状に形成される。モールド部３６４はアクチュエータ１０６が容器１の内部に突出するよう容器１に装着され、アクチュエータ１０６の振動部は容器１内のインクと接触する。モールド部３６４によって、アクチュエータ１０６の上部電極１６４、圧電層１６０、及び下部電極１６６はインクから保護されている。
【０１３０】
図２０（Ｃ）のモールド構造体６００は、モールド部３６４と容器１との間にシーリング構造３７２が必要ないので、インクが容器１から漏れにくい。また、容器１の外部からモールド構造体６００が突出しない形態であるので、アクチュエータ１０６を外部との接触から保護することができる。インクカートリッジが揺れる際に、インクが容器１の上面あるいは側面に付き、容器１の上面あるいは側面から垂れてきたインクが、アクチュエータ１０６に接触することで、アクチュエータ１０６が、誤作動する可能性がある。モールド構造体６００は、モールド部３６４が、容器１の内部に突出しているので、容器１の上面や側面から垂れてきたインクにより、アクチュエータ１０６が誤作動しない。
【０１３１】
図２１は、図１に示したアクチュエータ１０６を用いたインクカートリッジ及びインクジェット記録装置の実施形態を示す。複数のインクカートリッジ１８０は、それぞれのインクカートリッジ１８０に対応した複数のインク導入部１８２及びホルダー１８４を有するインクジェット記録装置に装着される。複数のインクカートリッジ１８０は、それぞれ異なった種類、例えば色のインクを収容する。複数のインクカートリッジ１８０のそれぞれの底面には、少なくとも音響インピーダンスを検出する手段であるアクチュエータ１０６が装着されている。アクチュエータ１０６をインクカートリッジ１８０に装着することによって、インクカートリッジ１８０内のインク残量を検出することができる。
【０１３２】
図２２は、インクジェット記録装置のヘッド部周辺の詳細を示す。インクジェット記録装置は、インク導入部１８２、ホルダー１８４、ヘッドプレート１８６、及びノズルプレート１８８を有する。インクを噴射するノズル１９０がノズルプレート１８８に複数形成されている。インク導入部１８２は空気供給口１８１とインク導入口１８３とを有する。空気供給口１８１はインクカートリッジ１８０に空気を供給する。インク導入口１８３はインクカートリッジ１８０からインクを導入する。インクカートリッジ１８０は空気導入口１８５とインク供給口１８７とを有する。空気導入口１８５はインク導入部１８２の空気供給口１８１から空気を導入する。インク供給口１８７はインク導入部１８２のインク導入口１８３にインクを供給する。インクカートリッジ１８０がインク導入部１８２から空気を導入することによって、インクカートリッジ１８０からインク導入部１８２へのインクの供給を促す。ホルダー１８４は、インクカートリッジ１８０からインク導入部１８２を介して供給されたインクをヘッドプレート１８６に連通する。
【０１３３】
図２３は、図２０に示したインクカートリッジ１８０の他の実施形態を示す。図２３（Ａ）のインクカートリッジ１８０Ａは、上下方向に斜めに形成された底面１９４ａにアクチュエータ１０６が装着されている。インクカートリッジ１８０のインク容器１９４の内部には、インク容器１９４の内部底面から所定の高さの、アクチュエータ１０６と直面する位置に防波壁１９２が設けられている。アクチュエータ１０６が、インク容器１９４の上下方向に対し斜めに装着されているので、インクの掃けが良好になる。
【０１３４】
アクチュエータ１０６と防波壁１９２との間には、インクで満たされた間隙が形成される。また、防波壁１９２とアクチュエータ１０６との間隔は、毛細管力によりインクが保持されない程度に空けられている。インク容器１９４が横揺れしたときに、横揺れによってインク容器１９４内部にインクの波が発生し、その衝撃によって、気体や気泡がアクチュエータ１０６によって検出されてアクチュエータ１０６が誤作動する可能性がある。防波壁１９２を設けることによって、アクチュエータ１０６付近のインクの波を防ぎ、アクチュエータ１０６の誤作動を防ぐことができる。
【０１３５】
図２３（Ｂ）のインクカートリッジ１８０Ｂのアクチュエータ１０６は、インク容器１９４の供給口の側壁上に装着されている。インク供給口１８７の近傍であれば、アクチュエータ１０６は、インク容器１９４の側壁又は底面に装着されてもよい。また、アクチュエータ１０６はインク容器１９４の幅方向の中心に装着されることが好ましい。インクは、インク供給口１８７を通過して外部に供給されるので、アクチュエータ１０６をインク供給口１８７の近傍に設けることにより、インクニアエンド時点までインクとアクチュエータ１０６とが確実に接触する。したがって、アクチュエータ１０６はインクニアエンドの時点を確実に検出することができる。
【０１３６】
更に、アクチュエータ１０６をインク供給口１８７の近傍に設けることで、インク容器をキャリッジ上のカートリッジホルダに装着する際に、インク容器上のアクチュエータ１０６とキャリッジ上の接点との位置決めが確実となる。その理由は、インク容器とキャリッジとの連結において最も重要なのは、インク供給口と供給針との確実な結合である。少しでもずれがあると供給針の先端を痛めてしまったりあるいはＯリングなどのシーリング構造にダメージを与えてしまいインクが漏れ出してしまうからである。このような問題点を防ぐために、通常インクジェットプリンタはインク容器をキャリッジにマウントする時に正確な位置合わせができるような特別な構造を有している。よって供給口近傍にアクチュエータを配置させることにより、アクチュエータの位置合わせも同時に確実なものとなるのである。さらに、アクチュエータ１０６をインク容器１９４の幅方向の中心に装着することで、より確実に位置合わせすることができる。インク容器が、ホルダへの装着時に幅方向中心線を中心として軸揺動した場合に、もっともその揺れが少ないからである。
【０１３７】
図２４はインクカートリッジ１８０の更に他の実施形態を示す。図２４（Ａ）はインクカートリッジ１８０Ｃの断面図、図２４（Ｂ）は図２４（Ａ）に示したインクカートリッジ１８０Ｃの側壁１９４ｂを拡大した断面図、及び図２４（Ｃ）はその正面からの透視図である。インクカートリッジ１８０Ｃは、半導体記憶手段７とアクチュエータ１０６とが同一の回路基板６１０上に形成されている。図２４（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、半導体記憶手段７は回路基板６１０の上方に形成され、アクチュエータ１０６は同一の回路基板６１０において半導体記憶手段７の下方に形成されている。アクチュエータ１０６の周囲を囲むように異型Ｏリング６１４が、側壁１９４ｂに装着される。側壁１９４ｂには、回路基板６１０をインク容器１９４に接合するためのカシメ部６１６が複数形成されている。カシメ部６１６によって回路基板６１０をインク容器１９４に接合し、異型Ｏリング６１４を回路基板６１０に押しつけることで、アクチュエータ１０６の振動領域がインクと接触することをできるようにしつつ、インクカートリッジの外部と内部とを液密に保つ。
【０１３８】
半導体記憶手段７及び半導体記憶手段７付近には端子６１２が形成されている。端子６１２は半導体記憶手段７とインクジェット記憶装置等の外部との間の信号の受け渡しをする。半導体記憶手段７は、例えばＥＥＰＲＯＭなどの書き換え可能な半導体メモリによって構成されてもよい。半導体記憶手段７とアクチュエータ１０６とが同一の回路基板６１０上に形成さているので、アクチュエータ１０６及び半導体記憶手段７をインクカートリッジ１８０Ｃに取付ける際に１回の取付け工程で済む。また、インクカートリッジ１８０Ｃの製造時及びリサイクル時の作業工程が簡素化される。更に、部品の点数が削減されるので、インクカートリッジ１８０Ｃの製造コストが低減できる。
【０１３９】
アクチュエータ１０６は、インク容器１９４内のインクの消費状態を検知する。半導体記憶手段７はアクチュエータ１０６が検出したインク残量などインクの情報を格納する。すなわち、半導体記憶手段７は検出する際に用いられるインク及びインクカートリッジの特性等の特性パラメータに関する情報を格納する。半導体記憶手段７は、予めインク容器１９４内のインクがフルのとき、すなわちインクがインク容器１９４内に満たされたとき、又はエンドのとき、すなわちインク容器１９４内のインクが消費されたときの共振周波数を特性パラメータの一つとして格納する。インク容器１９４内のインクがフル又はエンド状態の共振周波数は、インク容器が初めてインクジェット記録装置に装着されたときに格納されてもよい。また、インク容器１９４内のインクがフル又はエンド状態の共振周波数は、インク容器１９４の製造中に格納されてもよい。半導体記憶手段７に予めインク容器１９４内のインクがフル又はエンドのときの共振周波数を格納し、インクジェット記録装置側で共振周波数のデータを読出すことによりインク残量を検出する際のばらつきを補正できるので、インク残量が基準値まで減少したことを正確に検出することができる。
【０１４０】
図２５は、インクカートリッジ１８０の更に他の実施形態を示す。図２５（Ａ）に示すインクカートリッジ１８０Ｄは、インク容器１９４の側壁１９４ｂに複数のアクチュエータ１０６を装着する。図５に示した、一体成形された複数のアクチュエータ１０６を、これら複数のアクチュエータ１０６として用いることが好ましい。複数のアクチュエータ１０６は、上下方向に間隔をおいて側壁１９４ｂに配置されている。複数のアクチュエータ１０６を上下方向に間隔をおいて側壁１９４ｂに配置することによって、インク残量を段階的に検出することができる。
【０１４１】
図２５（Ｂ）に示すインクカートリッジ１８０Ｅは、インク容器１９４の側壁１９４ｂに上下方向に長いアクチュエータ６０６を装着する。上下方向に長いアクチュエータ６０６によって、インク容器１９４内のインク残量の変化を連続的に検出することができる。アクチュエータ６０６の長さは、側壁１９４ｂに高さの半分以上の長さを有することが望ましく、図２５（Ｂ）においては、アクチュエータ６０６は側壁１９４ｂのほぼ上端からほぼ下端までの長さを有する。
【０１４２】
図２５（Ｃ）に示すインクカートリッジ１８０Ｆは、図２５（Ａ）に示したインクカートリッジ１８０Ｄと同様に、インク容器１９４の側壁１９４ｂに複数のアクチュエータ１０６を装着し、複数のアクチュエータ１０６の直面に所定の間隔をおいて上下方向に長い防波壁１９２を備える。図５に示した、一体成形された複数のアクチュエータ１０６を、これら複数のアクチュエータ１０６として用いることが好ましい。アクチュエータ１０６と防波壁１９２との間には、インクで満たされた間隙が形成される。また、防波壁１９２とアクチュエータ１０６との間隔は、毛細管力によりインクが保持されない程度に空けられている。インク容器１９４が横揺れしたときに横揺れによってインク容器１９４内部にインクの波が発生し、その衝撃によって気体や気泡がアクチュエータ１０６によって検出されてしまい、アクチュエータ１０６が誤作動する可能性がある。本発明のように防波壁１９２を設けることによって、アクチュエータ１０６付近のインクの波立ちを防ぎ、アクチュエータ１０６の誤作動を防ぐことができる。また、防波壁１９２はインクが揺動することで発生した気泡がアクチュエータ１０６に侵入するのを防ぐ。
【０１４３】
図２６は、インクカートリッジ１８０の更に他の実施形態を示す。図２６（Ａ）のインクカートリッジ１８０Ｇは、インク容器１９４の上面１９４ｃから下方に延びる複数の隔壁２１２を有する。それぞれの隔壁２１２の下端とインク容器１９４の底面とは所定の間隔が空けられているので、インク容器１９４の底部は連通している。インクカートリッジ１８０Ｇは複数の隔壁２１２のそれぞれによって区画された複数の収容室２１３を有する。複数の収容室２１３の底部は互いに連通する。複数の収容室２１３のそれぞれにおいて、インク容器１９４の上面１９４ｃにはアクチュエータ１０６が装着されている。図５に示した、一体成形されたアクチュエータ１０６を、これら複数のアクチュエータ１０６として用いることが好ましい。アクチュエータ１０６は、インク容器１９４の収容室２１３の上面１９４ｃのほぼ中央に配置される。収容室２１３の容量はインク供給口１８７側が最も大きく、インク供給口１８７からインク容器１９４の奥へ遠ざかるにつれて、収容室２１３の容量が徐々に小さくなっている。したがって、アクチュエータ１０６が配置される間隔はインク供給口１８７側が広く、インク供給口１８７からインク容器１９４の奥へと遠ざかるにつれ、狭くなっている。
【０１４４】
インクは、インク供給口１８７から排出され、空気が空気導入口１８５から入るので、インク供給口１８７側の収容室２１３からインクカートリッジ１８０Ｇの奥の方の収容室２１３へとインクが消費される。例えば、インク供給口１８７に最も近い収容室２１３のインクが消費されて、インク供給口１８７に最も近い収容室２１３のインクの水位が下がっている間、他の収容室２１３にはインクが満たされている。インク供給口１８７に最も近い収容室２１３のインクが消費され尽くすと、空気が、インク供給口１８７から数えて２番目の収容室２１３に侵入し、２番目の収容室２１３内のインクが消費され始めて、２番目の収容室２１３のインクの水位が下がり始める。この時点で、インク供給室１８７から数えて３番目以降の収容室２１３には、インクが満たされている。このように、インク供給口１８７に近い収容室２１３から遠い収容室２１３へと順番にインクが消費される。
【０１４５】
このように、アクチュエータ１０６がそれぞれの収容室２１３ごとにインク容器１９４の上面１９４ｃに間隔をおいて配置されているので、アクチュエータ１０６はインク量の減少を段階的に検出することができる。更に、収容室２１３の容量が、インク供給口１８７から収容室２１３の奥へと徐々に小さくなっているので、アクチュエータ１０６が、インク量の減少を検出する時間間隔が徐々に小さくなり、インクエンドに近づくほど頻度を高く検出することができる。
【０１４６】
図２６（Ｂ）のインクカートリッジ１８０Ｈは、インク容器１９４の上面１９４ｃから下方に延びる一つの隔壁２１２を有する。隔壁２１２の下端とインク容器１９４の底面とは所定の間隔が空けられているので、インク容器１９４の底部は連通している。インクカートリッジ１８０Ｈは隔壁２１２によって区画された２室の収容室２１３ａ及び２１３ｂを有する。収容室２１３ａ及び２１３ｂの底部は互いに連通する。インク供給口１８７側の収容室２１３ａの容量はインク供給口１８７から見て奥の方の収容室２１３ｂの容量より大きい。収容室２１３ｂの容量は、収容室２１３ａの容量の半分より小さいことが好ましい。
【０１４７】
収容室２１３ｂの上面１９４ｃにアクチュエータ１０６が装着される。更に、収容室２１３ｂには、インクカートリッジ１８０Ｈの製造時に入る気泡を捕らえる溝であるバッファ２１４が形成される。図２６（Ｂ）において、バッファ２１４は、インク容器１９４の側壁１９４ｂから上方に延びる溝として形成される。バッファ２１４はインク収容室２１３ｂ内に侵入した気泡を捕らえるので、気泡によってアクチュエータ１０６がインクエンドと検出する誤作動を防止することができる。また、アクチュエータ１０６を収容室２１３ｂの上面１９４ｃに設けることにより、インクニアエンドが検出されてから完全にインクエンド状態になるまでのインク量に対して、ドットカウンタによって把握した収容室２１３ａでのインクの消費状態に対応した補正をかけることで、最後までインクを消費することができる。更に、収容室２１３ｂの容量を隔壁２１２の長さや間隔を変えたりすることなどによって調節することにより、インクニアエンド検出後の消費可能インク量を変えることができる。
【０１４８】
図２６（Ｃ）は、図２６（Ｂ）のインクカートリッジ１８０Ｉの収容室２１３ｂに多孔質部材２１６が充填されている。多孔質部材２１６は、収容室２１３ｂ内の上面から下面までの全空間を埋めるように設置される。多孔質部材２１６は、アクチュエータ１０６と接触する。インク容器が倒れたときや、キャリッジ上での往復運動中に空気がインク収容室２１３ｂ内に侵入してしまい、これがアクチュエータ１０６の誤作動を引き起こす可能性がある。しかし、多孔質部材２１６が備えられていれば、空気を捕らえてアクチュエータ１０６に空気が入るのを防ぐことができる。また、多孔質部材２１６はインクを保持するのでインク容器が揺れることにより、インクがアクチュエータ１０６にかかってアクチュエータ１０６がインク無しをインク有りと誤検出するのを防ぐことができる。多孔質部材２１６は最も容量が小さい収容室２１３に設置することが好ましい。また、アクチュエータ１０６を収容質２１３ｂの上面１９４ｃに設けることにより、インクニアエンドが検出されてから完全にインクエンド状態になるまでのインク量に補正をかけ、最後までインクを消費することができる。更に、収容室２１３ｂの容量を隔壁２１２の長さや間隔を変えたりすることなどによって調節することにより、インクニアエンド検出後の消費可能インク量を変えることができる。
【０１４９】
図２６（Ｄ）は、図２６（Ｃ）のインクカートリッジ１８０Ｉの多孔質部材２１６が孔径の異なる２種類の多孔質部材２１６Ａ及び２１６Ｂによって構成されているインクカートリッジ１８０Ｊを示す。多孔質部材２１６Ａは、多孔質部材２１６Ｂの上方に配置されている。上側の多孔質部材２１６Ａの孔径は、下側の多孔質部材２１６Ｂの孔径より大きい。もしくは、多孔質部材２１６Ａは、多孔質部材２１６Ｂよりも液体親和性が低い部材で形成される。孔径の小さい多孔質部材２１６Ｂの方が孔径の大きい多孔質部材２１６Ａより毛細管力は大きいので、収容室２１３ｂ内のインクが下側の多孔室部材２１６Ｂに集まり、保持される。したがって、一度空気がアクチュエータ１０６まで到達してインク無しを検出すると、インクが再度アクチュエータに到達してインク有りと検出することが無い。更に、アクチュエータ１０６から遠い側の多孔質部材２１６Ｂにインクが吸収されることで、アクチュエータ１０６近傍のインクの捌けが良くなり、インク有無を検出するときの音響インピーダンス変化の変化量が大きくなる。また、アクチュエータ１０６を収容質２１３ｂの上面１９４ｃに設けることにより、インクニアエンドが検出されてから完全にインクエンド状態になるまでのインク量に補正をかけ、最後までインクを消費することができる。更に、収容室２１３ｂの容量を隔壁２１２の長さや間隔を変えたりすることなどによって調節することにより、インクニアエンド検出後の消費可能インク量を変えることができる。
【０１５０】
図２７は、図２６（Ｃ）に示したインクカートリッジ１８０Ｉの他の実施形態であるインクカートリッジ１８０Ｋを示す断面図である。図２７に示すインクカートリッジ１８０の多孔質部材２１６は、多孔質部材２１６の下部の水平方向の断面積が、インク容器１９４の底面の方向にむけて徐々に小さくなるように圧縮され、孔径が小さくなるよう設計されている。図２７（Ａ）のインクカートリッジ１８０Ｋは、多孔質部材２１６の下の方の孔径が小さくなるように圧縮するために側壁にリブが設けられている。多孔質部材２１６下部の孔径は圧縮されることにより、小さくなっているので、インクは多孔質部材２１６下部へと集められ、保持される。アクチュエータ１０６から遠い側の多孔質部材２１６下部にインクが吸収されることで、アクチュエータ１０６近傍のインクの捌けが良くなり、インク有無を検出するときの音響インピーダンス変化の変化量が大きくなる。したがって、インクが揺れることによってインクカートリッジ１８０Ｋ上面に装着されたアクチュエータ１０６にインクがかかっていしまい、アクチュエータ１０６が、インク無しをインク有りと誤検出することを防止することができる。
【０１５１】
一方、図２７（Ｂ）及び図２７（Ｃ）のインクカートリッジ１８０Ｌは、多孔質部材２１６の下部の水平方向の断面積が、インク容器１９４の幅方向において、インク容器１９４の底面にむけて徐々に小さくなるよう圧縮するために、収容室の水平方向の断面積がインク容器１９４の底面の方向にむけて徐々に小さくなっている。多孔質部材２１６下部の孔径は圧縮されることにより、小さくなっているので、インクは多孔質部材２１６の下部へと集められ、保持される。アクチュエータ１０６から遠い側の多孔質部材２１６Ｂの下部にインクが吸収されることで、アクチュエータ１０６近傍のインクの捌けが良くなり、インク有無を検出するときの音響インピーダンス変化の変化量が大きくなる。したがって、インクが揺れることによって、インクカートリッジ１８０Ｌの上面に装着されたアクチュエータ１０６にインクがかかってしまい、アクチュエータ１０６が、インク無しをインク有りと誤検出することを防止することができる。
【０１５２】
図２８は、アクチュエータ１０６を用いたインクカートリッジの更に他の実施形態を示す。図２８（Ａ）のインクカートリッジ２２０Ａは、インクカートリッジ２２０Ａの上面から下方へと延びるように設けられた第１の隔壁２２２を有する。第１の隔壁２２２の下端とインクカートリッジ２２０Ａの底面との間には所定の間隔が空けられているので、インクは、インクカートリッジ２２０Ａの底面を通じてインク供給口２３０へ流入できる。第１の隔壁２２２よりインク供給口２３０側には、インクカートリッジ２２０Ａの底面より上方に延びるように第２の隔壁２２４が、形成されている。第２の隔壁２２４の上端とインクカートリッジ２２０Ａ上面との間には所定の間隔が空けられているので、インクは、インクカートリッジ２２０Ａの上面を通じてインク供給口２３０へ流入できる。
【０１５３】
第１の隔壁２２２によって、インク供給口２３０から見て、第１の隔壁２２２の奥の方に第１の収容室２２５ａが形成される。一方、第２の隔壁２２４によって、インク供給口２３０から見て第２の隔壁２２４の手前側に第２の収容室２２５ｂが形成される。第１の収容室２２５ａの容量は、第２の収容室２２５ｂの容量より大きい。第１の隔壁２２２及び第２の隔壁２２４の間に、毛管現象を起こせるだけの間隔が空けられることにより、毛管路２２７が形成される。したがって、第１の収容室２２５ａのインクは、毛管路２２７の毛細管力により、毛管路２２７に集められる。そのため、気体や気泡が第２の収容室２２５ｂへ混入するのを防止することができる。また、第２の収容室２２５ｂ内のインクの水位は、安定的に徐々に下降できる。インク供給口２３０から見て、第１の収容室２２５ａは、第２の収容室２２５ｂより奥に形成されているので、第１の収容室２２５ａのインクが消費された後、第２の収容室２２５ｂのインクが消費される。
【０１５４】
インクカートリッジ２２０Ａのインク供給口２３０側の側壁、すなわち第２の収容室２２５ｂのインク供給口２３０側の側壁には、アクチュエータ１０６が装着されている。アクチュエータ１０６は、第２の収容室２２５ｂ内のインクの消費状態を検知する。アクチュエータ１０６を、第２の収容室２２５ｂの側壁に装着することによって、インクエンドにより近い時点でのインク残量を安定的に検出することができる。更に、アクチュエータ１０６を第２の収容室２２５ｂの側壁に装着する高さを変えることにより、どの時点でのインク残量をインクエンドにするかを、自由に設定することができる。毛管路２２７によって第１の収容室２２５ａから第２の収容室２２５ｂへインクが供給されることにより、アクチュエータ１０６は、インクカートリッジ２２０Ａの横揺れによるインクの横揺れの影響を受けないので、アクチュエータ１０６は、インク残量を確実に測定できる。更に、毛管路２２７が、インクを保持するので、インクが第２の収容室２２５ｂから第１の収容室２２５ａへ逆流するのを防ぐ。
【０１５５】
インクカートリッジ２２０Ａの上面には、逆止弁２２８が設けられている。逆止弁２２８によって、インクカートリッジ２２０Ａが横揺れしたときに、インクがインクカートリッジ２２０Ａ外部に漏れるのを防ぐことができる。更に、逆止弁２２８をインクカートリッジ２２０Ａの上面に設置することで、インクのインクカートリッジ２２０Ａからの蒸発を防ぐことができる。インクカートリッジ２２０Ａ内のインクが消費されて、インクカートリッジ２２０Ａ内の負圧が逆止弁２２８の圧力を越えると、逆止弁２２８が開いて、インクカートリッジ２２０Ａに空気を吸入し、その後閉じてインクカートリッジ２２０Ａ内の圧力を一定に保持する。
【０１５６】
図２８（Ｃ）及び（Ｄ）は、逆止弁２２８の詳細の断面を示す。図２８（Ｃ）の逆止弁２２８は、ゴムにより形成された羽根２３２ａを有する弁２３２を有する。インクカートリッジ２２０の外部との通気孔２３３が、羽根２３２ａに対向してインクカートリッジ２２０に設けられる。羽根２３２ａによって、通気孔２３３が、開閉される。逆止弁２２８は、インクカートリッジ２２０内のインクが減少し、インクカートリッジ２２０内の負圧が逆止弁２２８の圧力を越えると、羽根２３２ａが、インクカートリッジ２２０の内側に開き、外部の空気をインクカートリッジ２２０内に取り入れる。図２８（Ｄ）の逆止弁２２８は、ゴムにより形成された弁２３２とバネ２３５とを有する。逆止弁２２８は、インクカートリッジ２２０内の負圧が逆止弁２２８の圧力を越えると、弁２３２が、バネ２３５を押圧して開き、外部の空気をインクカートリッジ２２０内に吸入し、その後閉じてインクカートリッジ２２０内の負圧を一定に保持する。
【０１５７】
図２８（Ｂ）のインクカートリッジ２２０Ｂは、図２８（Ａ）のインクカートリッジ２２０Ａにおいて逆止弁２２８を設ける代わりに第１の収容室２２５ａに多孔質部材２４２を配置している。多孔質部材２４２は、インクカートリッジ２２０Ｂ内のインクを保持すると共に、インクカートリッジ２２０Ｂが横揺れしたときに、インクがインクカートリッジ２２０Ｂの外部へ漏れるのを防ぐ。
【０１５８】
以上、キャリッジに装着される、キャリッジと別体のインクカートリッジにおいて、インクカートリッジ又はキャリッジにアクチュエータ１０６を装着する場合について述べたが、キャリッジと一体化され、キャリッジと共に、インクジェット記録装置に装着されるインクタンクにアクチュエータ１０６を装着してもよい。更に、キャリッジと別体の、チューブ等を介して、キャリッジにインクを供給するオフキャリッジ方式のインクタンクにアクチュエータ１０６を装着してもよい。またさらに、記録ヘッドとインク容器とが一体となって交換可能に構成されたインクカートリッジに、本発明のアクチュエータを装着してもよい。
【０１５９】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更又は改良を加えることができる。その様な変更又は改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【０１６０】
【図１】アクチュエータ１０６の詳細を示す図である。
【図２】アクチュエータ１０６の周辺およびその等価回路を示す図である。
【図３】インクの密度とアクチュエータ１０６によって検出されるインクの共振周波数との関係を示す図である。
【図４】アクチュエータ１０６の逆起電力波形を示す図である。
【図５】アクチュエータ１０６の他の実施形態を示す図である。
【図６】図５に示したアクチュエータ１０６の一部分の断面を示す図である。
【図７】図６に示したアクチュエータ１０６の全体の断面を示す図である。
【図８】図５に示したアクチュエータ１０６の製造方法を示す図である。
【図９】本発明のインクカートリッジの更に他の実施形態を示す図である。
【図１０】貫通孔１ｃの他の実施形態を示す図である。
【図１１】アクチュエータ６６０の他の実施形態を示す図である。
【図１２】アクチュエータ６７０の更に他の実施形態を示す図である。
【図１３】モジュール体１００を示す斜視図である。
【図１４】図１３に示したモジュール体１００の構成を示す分解図である。
【図１５】モジュール体１００の他の実施形態を示す図である。
【図１６】図１５に示したモジュール体１００の構成を示す分解図である。
【図１７】モジュール体１００の更に他の実施形態を示す図である。
【図１８】図１３に示したモジュール体１００をインク容器１に装着した断面の例を示す図である。
【図１９】モジュール体１００の更に他の実施形態を示す図である。
【図２０】モジュール体１００の更に他の実施形態を示す図である。
【図２１】図１および図２に示したアクチュエータ１０６を用いたインクカートリッジ及びインクジェット記録装置の実施形態を示す図である。
【図２２】インクジェット記録装置の詳細を示す図である。
【図２３】図２２に示したインクカートリッジ１８０の他の実施形態を示す図である。
【図２４】インクカートリッジ１８０の更に他の実施形態を示す図である。
【図２５】インクカートリッジ１８０の更に他の実施形態を示す図である。
【図２６】インクカートリッジ１８０の更に他の実施形態を示す図である。
【図２７】図２６（Ｃ）に示したインクカートリッジ１８０の他の実施形態を示す図である。
【図２８】モジュール体１００を用いたインクカートリッジの更に他の実施形態を示す図である。
【符号の説明】
【０１６１】
１・・・容器
１ａ・・・底面
１ｂ・・・側壁
１ｃ、９４０ａ・・・貫通孔
１ｄ、・・・側面
１ｅ、１ｆ・・・段差部
１ｇ、１ｈ・・・溝
２・・・インク供給口
６７・・・板材
６８・・・フロート
７１・・・接着剤層
７８、８０、１７８・・・基板
７３、８２、圧電振動板
７４、７５・・・インク吸収体
７６・・・パッキン
７７・・・カシメ孔
８１・・・凹部
１００、４００，５００、７００・・・モジュール体
１０１、４０１、５０１・・・液体容器取付部
１０２・・・基台
１０４、３６２・・・リードワイヤ
１０５、４０５、５０５・・・圧電装置装着部
１０６、６５０、６６０、６７０・・・アクチュエータ
１０８・・・フィルム
１１０・・・プレート
１１２、４１２、３７０・・・貫通孔
１１３・・・凹部
１１４・・・開口部
１１６・・・円柱部
１６０・・・圧電層
１６２・・・キャビティ
１６４・・・上部電極
１６６・・・下部電極
１６８・・・上部電極端子
１７０・・・下部電極端子
１７２・・・補助電極
１７４・・・圧電素子
１７６・・・振動板
１８０・・・インクカートリッジ
１８１・・・空気供給口
１８２・・・インク導入部
１８３・・・インク導入口
１８４・・・ホルダー
１８５・・・空気導入口
１８６・・・ヘッドプレート
１８７・・・インク供給口
１８８・・・ノズルプレート
１９０・・・ノズル
１９２・・・防波壁
１９４・・・インク容器
１９４ａ・・・底面
１９４ｂ・・・側壁
１９４ｃ・・・上面
２１２・・・隔壁
２１３、２１３ａ、２１３ｂ・・・収容室
２１４・・・バッファ
２１６、２１６ａ、２１６ｂ・・・多孔質部材
２２０・・・インクカートリッジ
２２２・・・第１の隔壁
２２４・・・第２の隔壁
２２５ａ・・・第１の収容室
２２５ｂ・・・第２の収容室
２２７・・・毛管路
２２８・・・逆止弁
２３０・・・インク供給口
２３２・・・弁
２３２ａ・・・羽根
２３３・・・通気孔
２３５・・・バネ
２４２・・・多孔質部材
２５０・・・キャリッジ
２５２・・・記録ヘッド
２５４・・・インク供給針
２５６・・・サブタンクユニット
２５８、２５８'・・・凸部
２６０、２６０'・・・弾性波発生手段
２６２・・・インク室
２６６・・・膜弁
２７０・・・弁体
２７２・・・インクカートリッジ
２７４・・・容器
２７４ａ・・・底面
２７４ｂ・・・側面
２７６・・・インク供給口
２７８・・・凹部
２８０、２８０'・・・ゲル化材
２８２・・・パッキン
２８４・・・バネ
２８６・・・弁体
２８８・・・半導体記憶手段
２９０・・・容器
２９０ａ・・・底面
２９２、２９４、２９６・・・インク室
２９８、３００、３０２・・・インク供給口
３０４、３０６、３０８・・・ゲル化材
３１０、３１２、３１４・・・凹部
３１６・・・板材
３１８・・・フロート
３５０・・・取付プレート
３６０・・・液体容器取付部
３６４・・・モールド部
３７２・・・シーリング構造
４０２、５０２・・・基台
４０３、５０３・・・円柱部
４０４、５０４・・・リードワイヤ
４０８、５０８・・・フィルム
４１０、５１０・・・プレート
４１３、５１３・・・凹部
４１４、５１４・・・開口部
６００・・・モールド構造体
６０６・・・アクチュエータ
６１０・・・回路基板
６１２・・・端子
９４０、９４１・・・グリーンシート
９４２、９４４・・・導電層
９４４'・・・接続部
９４７、９４８・・・スペーサ部材
Δｈ１、Δｈ２・・・液面の変化
Ｋ・・・インク
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体容器に装着され、該液体容器内の液体の消費状態を検知する圧電装置であって、
前記圧電装置において振動する振動部は、
一方の面が液体容器内の液体と接触する振動板と、
該振動板の他方の面に形成された下部電極と、
該下部電極上に形成された圧電層と、
該圧電層上に形成された上部電極とを備え、
前記振動部は、前記圧電層が前記下部電極を被覆するよう形成されるとともに、前記上部電極は下部電極を被覆し、圧電層は上部電極よりもはみ出すことを特徴とする圧電装置。
【請求項２】
前記圧電装置は、
上面が前記振動板の液体と接触する下面側と接し、下面が前記液体容器内の液体と接触する基板を更に備え、前記基板が、前記振動板の振動部に対応する位置に液体と接触する空洞を有することを特徴とする請求項１に記載の圧電装置。
【請求項３】
前記空洞の面積は前記下部電極の面積よりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の圧電装置。
【請求項４】
前記残留振動による前記振動板の変形は、前記基板の変形よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の圧電装置。
【請求項５】
前記圧電層の圧電効果を発生する部分の面積は、前記下部電極の面積とほぼ同じであることを特徴とする請求項１に記載の圧電装置。
【請求項６】
前記上部電極、前記圧電層、及び前記下部電極の主要部が、矩形であることを特徴とする請求項１に記載の圧電装置。
【請求項７】
前記上部電極、前記圧電層、及び前記下部電極の主要部が、ほぼ円形であることを特徴とする請求項１に記載の圧電装置。
【請求項８】
前記空洞がほぼ円形であり、前記空洞の半径を前記空洞の深さで割った値が、３π／８より大きいことを特徴とする請求項３に記載の圧電装置。
【請求項９】
前記圧電装置が、前記振動部近傍の音響インピーダンスの変化を検知することにより前記液体容器内の液体の消費状態を検知することを特徴とする請求項１に記載の圧電装置。
【請求項１０】
前記圧電装置が、前記振動部に残留する残留振動によって発生する逆起電力に基づいて前記音響インピーダンスの変化を検知して、前記液体容器内の液体の消費状態を検知することを特徴とする請求項９に記載の圧電装置。
【請求項１１】
請求項１乃至１０記載の圧電装置が装着されたことを特徴とする液体容器。
【請求項１２】
前記圧電装置は、液体容器の壁面に形成された通孔又は凹部内に設けられていることを特徴とする請求項１１に記載の液体容器。
【請求項１３】
液体容器に装着され、前記液体容器内の液体の消費状態を検知するためのモジュール体であって、
前記モジュール体は、残留振動によって発生する逆起電力に基づいて前記液体の消費状態を検知する圧電装置と、
前記圧電装置を前記液体容器に取付けるための、前記圧電装置と一体化された取付構造体とを備え、
前記圧電装置は、
一方の面が液体容器内の液体と接触する振動板、
該振動板の他方の面に形成された下部電極
該下部電極上に形成された圧電層、及び
該圧電層の上に設けられた上部電極を備え、
前記圧電層は、前記下部電極を被覆するよう形成されるとともに、前記上部電極は下部電極を被覆し、圧電層は上部電極よりはみ出していることを特徴とするモジュール体。
【請求項１４】
前記取付構造体は、
上面が前記振動板の液体と接触する下面側と面し、下面が前記液体容器内の液体と接触する取付部材を有し、
前記取付部材が、前記振動板の振動部分の位置に液体と接触する空洞を有することを特徴とする請求項１３に記載のモジュール体。
【請求項１５】
前記空洞の面積が、前記下部電極の面積よりも大きいことを特徴とする請求項１４記載のモジュール体。
【請求項１６】
前記空洞がほぼ円形であり、前記空洞の半径を、前記空洞の深さで割った値が、３π／８より大きいことを特徴とする請求項１３に記載のモジュール体。
【請求項１７】
前記モジュール体の前記取付構造体が、中心に開口部を含み、前記開口部に前記圧電装置が配設されたことを特徴とする請求項１３に記載のモジュール体。
【請求項１８】
前記開口部の面積は、前記圧電層の圧電効果を発生する部分の面積よりも大きいことを特徴とする請求項１３に記載のモジュール体。
【請求項１９】
前記圧電装置は、前記取付構造体に対し着脱可能であることを特徴とする請求項１３に記載のモジュール体。
【請求項２０】
請求項１３乃至１９に記載のモジュール体が配置されたことを特徴とする液体容器。
【請求項１】
液体容器に装着され、該液体容器内の液体の消費状態を検知する圧電装置であって、
前記圧電装置において振動する振動部は、
一方の面が液体容器内の液体と接触する振動板と、
該振動板の他方の面に形成された下部電極と、
該下部電極上に形成された圧電層と、
該圧電層上に形成された上部電極とを備え、
前記振動部は、前記圧電層が前記下部電極を被覆するよう形成されるとともに、前記上部電極は下部電極を被覆し、圧電層は上部電極よりもはみ出すことを特徴とする圧電装置。
【請求項２】
前記圧電装置は、
上面が前記振動板の液体と接触する下面側と接し、下面が前記液体容器内の液体と接触する基板を更に備え、前記基板が、前記振動板の振動部に対応する位置に液体と接触する空洞を有することを特徴とする請求項１に記載の圧電装置。
【請求項３】
前記空洞の面積は前記下部電極の面積よりも大きいことを特徴とする請求項２に記載の圧電装置。
【請求項４】
前記残留振動による前記振動板の変形は、前記基板の変形よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の圧電装置。
【請求項５】
前記圧電層の圧電効果を発生する部分の面積は、前記下部電極の面積とほぼ同じであることを特徴とする請求項１に記載の圧電装置。
【請求項６】
前記上部電極、前記圧電層、及び前記下部電極の主要部が、矩形であることを特徴とする請求項１に記載の圧電装置。
【請求項７】
前記上部電極、前記圧電層、及び前記下部電極の主要部が、ほぼ円形であることを特徴とする請求項１に記載の圧電装置。
【請求項８】
前記空洞がほぼ円形であり、前記空洞の半径を前記空洞の深さで割った値が、３π／８より大きいことを特徴とする請求項３に記載の圧電装置。
【請求項９】
前記圧電装置が、前記振動部近傍の音響インピーダンスの変化を検知することにより前記液体容器内の液体の消費状態を検知することを特徴とする請求項１に記載の圧電装置。
【請求項１０】
前記圧電装置が、前記振動部に残留する残留振動によって発生する逆起電力に基づいて前記音響インピーダンスの変化を検知して、前記液体容器内の液体の消費状態を検知することを特徴とする請求項９に記載の圧電装置。
【請求項１１】
請求項１乃至１０記載の圧電装置が装着されたことを特徴とする液体容器。
【請求項１２】
前記圧電装置は、液体容器の壁面に形成された通孔又は凹部内に設けられていることを特徴とする請求項１１に記載の液体容器。
【請求項１３】
液体容器に装着され、前記液体容器内の液体の消費状態を検知するためのモジュール体であって、
前記モジュール体は、残留振動によって発生する逆起電力に基づいて前記液体の消費状態を検知する圧電装置と、
前記圧電装置を前記液体容器に取付けるための、前記圧電装置と一体化された取付構造体とを備え、
前記圧電装置は、
一方の面が液体容器内の液体と接触する振動板、
該振動板の他方の面に形成された下部電極
該下部電極上に形成された圧電層、及び
該圧電層の上に設けられた上部電極を備え、
前記圧電層は、前記下部電極を被覆するよう形成されるとともに、前記上部電極は下部電極を被覆し、圧電層は上部電極よりはみ出していることを特徴とするモジュール体。
【請求項１４】
前記取付構造体は、
上面が前記振動板の液体と接触する下面側と面し、下面が前記液体容器内の液体と接触する取付部材を有し、
前記取付部材が、前記振動板の振動部分の位置に液体と接触する空洞を有することを特徴とする請求項１３に記載のモジュール体。
【請求項１５】
前記空洞の面積が、前記下部電極の面積よりも大きいことを特徴とする請求項１４記載のモジュール体。
【請求項１６】
前記空洞がほぼ円形であり、前記空洞の半径を、前記空洞の深さで割った値が、３π／８より大きいことを特徴とする請求項１３に記載のモジュール体。
【請求項１７】
前記モジュール体の前記取付構造体が、中心に開口部を含み、前記開口部に前記圧電装置が配設されたことを特徴とする請求項１３に記載のモジュール体。
【請求項１８】
前記開口部の面積は、前記圧電層の圧電効果を発生する部分の面積よりも大きいことを特徴とする請求項１３に記載のモジュール体。
【請求項１９】
前記圧電装置は、前記取付構造体に対し着脱可能であることを特徴とする請求項１３に記載のモジュール体。
【請求項２０】
請求項１３乃至１９に記載のモジュール体が配置されたことを特徴とする液体容器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
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【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
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【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【公開番号】特開２００９−８０１３５（Ｐ２００９−８０１３５Ａ）
【公開日】平成２１年４月１６日（２００９．４．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３３５１６７（Ｐ２００８−３３５１６７）
【出願日】平成２０年１２月２６日（２００８．１２．２６）
【分割の表示】特願２０００−１４６９６３（Ｐ２０００−１４６９６３）の分割
【原出願日】平成１２年５月１８日（２０００．５．１８）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年４月１６日（２００９．４．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１２月２６日（２００８．１２．２６）
【分割の表示】特願２０００−１４６９６３（Ｐ２０００−１４６９６３）の分割
【原出願日】平成１２年５月１８日（２０００．５．１８）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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