異物検出装置、異物検出方法、液滴吐出装置、および液滴吐出方法
【課題】本発明の実施形態は、異物の検出精度を向上させることができる異物検出装置、異物検出方法、液滴吐出装置、および液滴吐出方法を提供する。
【解決手段】実施形態に係る異物検出装置は、電気信号を発生させる信号発生部と、前記電気信号を変換して液体中に圧力波を発生させる発信部と、前記液体からの反射波を受信して電気信号に変換する受信部と、前記液体に異物が含まれていない状態に関する情報を格納する格納部と、前記反射波を変換した電気信号と、前記格納された情報に基づく電気信号と、の差に基づいて前記異物の有無および前記異物の大きさの少なくともいずれかを検出する検出部と、を備えている。
【解決手段】実施形態に係る異物検出装置は、電気信号を発生させる信号発生部と、前記電気信号を変換して液体中に圧力波を発生させる発信部と、前記液体からの反射波を受信して電気信号に変換する受信部と、前記液体に異物が含まれていない状態に関する情報を格納する格納部と、前記反射波を変換した電気信号と、前記格納された情報に基づく電気信号と、の差に基づいて前記異物の有無および前記異物の大きさの少なくともいずれかを検出する検出部と、を備えている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
後述する実施形態は、概ね、異物検出装置、異物検出方法、液滴吐出装置、および液滴吐出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体中にある異物を検出する技術が知られている。
例えば、液滴吐出装置において、吐出させる液体中に気泡などの異物が有るか否かを検出する技術が提案されている。
このような技術においては、例えば、気泡が存在することによる振動レベルの減衰や、残留振動波形から気泡の有無を判別するようにしている。
しかしながら、このような技術においては、細い管路中などのような小さな領域にある気泡などの異物を検出することが困難であった。そのため、細い管路中などのような小さな領域にある気泡などの異物を精度良く検出することができる技術の開発が望まれていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−７２６９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の実施形態は、異物を精度良く検出することができる異物検出装置、異物検出方法、液滴吐出装置、および液滴吐出方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態に係る異物検出装置は、電気信号を発生させる信号発生部と、前記電気信号を変換して液体中に圧力波を発生させる発信部と、前記液体からの反射波を受信して電気信号に変換する受信部と、前記液体に異物が含まれていない状態に関する情報を格納する格納部と、前記反射波を変換した電気信号と、前記格納された情報に基づく電気信号と、の差に基づいて前記異物の有無および前記異物の大きさの少なくともいずれかを検出する検出部と、を備えている。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】第１の実施形態に係る異物検出装置および液滴吐出装置を例示するための模式図である。
【図２】検出のタイミングを例示するための模式グラフ図である。
【図３】気泡Ｂに関する情報の抽出を例示するための模式グラフ図である。（ａ）は気泡Ｂがある場合の反射波に基づく電気信号Ｓ１と、気泡Ｂがない場合の電気信号Ｓ２とを例示するための模式グラフ図、（ｂ）は気泡Ｂに関する情報が含まれた電気信号を例示するための模式グラフ図である。
【図４】気泡Ｂの直径寸法と散乱断面積の関係を例示するためのグラフ図である。
【図５】第２の実施形態に係る異物検出装置および液滴吐出装置を例示するための模式図である。
【図６】第３の実施形態に係る異物検出方法を例示するためのフローチャートである。
【図７】第４の実施形態に係る液滴吐出方法を例示するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、図面を参照しつつ、実施の形態について例示をする。なお、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
なお、以下においては、一例として、異物検出装置を液滴吐出装置に設けた場合、異物検出方法を液滴吐出方法に適用した場合を例示する。ただし、異物検出装置や異物検出方法の適用対象はこれに限定されるわけではなく、液体に含まれた気泡などの異物の検出に広く適用することができる。
【０００８】
[第１の実施形態]
図１は、第１の実施形態に係る異物検出装置および液滴吐出装置を例示するための模式図である。
液滴吐出装置の駆動方式には、加熱により気泡を発生させ膜沸騰現象を利用して液体を吐出させる「サーマル型」と、圧電素子の屈曲変位を利用して液体を吐出させる「圧電型」と、があるが、一例として、ここでは圧電型を例に挙げて説明する。
【０００９】
液滴吐出装置１００には、圧電部１０１、ノズル本体１０２、可撓性膜１０３、ノズル部１０４、減衰部１０５、カバー１０６、異物検出装置１が設けられている。
【００１０】
圧電部１０１は、例えば、駆動電極１０１ａ、部材１０１ｂ、駆動電極１０１ｃ、部材１０１ｄ、駆動電極１０１ｅを順に積層した後、一体焼成したものとすることができる。一体焼成された圧電部１０１は、強度が高く取扱も容易である。
部材１０１ｂ、部材１０１ｄは、圧電材料から形成されたものとすることができる。圧電材料としては、圧電セラミックス（例えば、ジルコンチタン酸鉛）などを例示することができる。駆動電極１０１ａ、駆動電極１０１ｃ、駆動電極１０１ｅは銅合金などから形成されたものとすることができる。
後述するように、圧電部１０１は液体を吐出させるための加圧源となるが、異物検出装置１の発信部および受信部としての機能をも有している。なお、異物検出装置１に設けられた信号発生部２は、圧電部１０１を加圧源として駆動するための電気信号を出力する機能をも有している。
【００１１】
ノズル本体１０２には、吐出させる液体を収納する液室１０２ａが設けられている。液室１０２ａは、ノズル本体１０２の両端部間を貫通するようにして設けられている。液室１０２ａは、例えば、等価直径寸法がｄとなる断面を有したものとすることができる。
ここで、等価直径寸法ｄは、液室１０２ａの断面形状が円形の場合にはその直径寸法であり、例えば、液室１０２ａの断面形状が多角形などの場合には同じ断面積を有する円形断面に変換した場合の直径寸法である。
なお、等価直径寸法ｄに関する詳細は後述する。
また、液室１０２ａには図示しない流路が連通され、図示しない流路を介して液室１０２ａ内に液体が供給されるようになっている。
ノズル本体１０２は、例えば、ステンレスやニッケル合金などから形成されたものとすることができる。
【００１２】
可撓性膜１０３は、ノズル本体１０２の一方の端部に設けられている。可撓性膜１０３は、液室１０２ａの開口部を覆うように設けられている。
また、可撓性膜１０３のノズル本体１０２に設けられた側とは反対側の面には、圧電部１０１が設けられている。この場合、圧電部１０１の屈曲変位による圧力波が液室１０２ａ内の液体に伝わりやすくなるように、液室１０２ａの開口部と対向させるようにして圧電部１０１を設けるようにすることができる。なお、本実施の形態においては、圧電部１０１がノズル本体１０２の一方の端部側に設けられた液室１０２ａ内の液体に圧力を加える加圧部となる。
可撓性膜１０３は、例えば、ステンレスなどから形成されたものとすることができる。
【００１３】
ノズル部１０４は、ノズル本体１０２の他方の端部に設けられている。ノズル部１０４は、板状を呈し、厚み方向を貫通するノズル孔１０４ａが設けられている。ノズル孔１０４ａの一端は液室１０２ａに開口し、他端は液滴吐出装置１００の外部に開口している。
【００１４】
ノズル部１０４は、例えば、ステンレスやニッケル合金などから形成されたものとすることができる。
【００１５】
減衰部１０５は、圧電部１０１の周囲を囲うようにして可撓性膜１０３に設けられている。圧電部１０１においてはいわゆるメイン振動が発生するが、これと同時にスプリアス振動などの不要な振動も発生する。そのため、減衰部１０５を設けることでスプリアス振動などを減衰させ、スプリアス振動などがメイン振動に及ぼす悪影響を低減させるようにしている。
減衰部１０５は、例えば、シリコーンゴムなどから形成されたものとすることができる。
【００１６】
カバー１０６は、一端が開口された収納部１０６ａを備えている。そして、収納部１０６ａの内部に圧電部１０１、減衰部１０５を収納するようにして可撓性膜１０３に設けられている。また、カバー１０６には、圧電部１０１の配線を通すための図示しない孔などが適宜設けられている。
カバー１０６は、例えば、樹脂や金属などから形成されたものとすることができる。
【００１７】
異物検出装置１には、信号発生部２、切換部３、格納部４、検出部５が設けられている。
前述したように、本実施の形態においては、圧電部１０１が電気信号を変換して液体中に圧力波を発生させる発信部、および、反射波を受信して電気信号に変換する受信部としての機能を果たす。
なお、反射波には、後述する機械系振動に基づくもの、「気泡による圧力波」、液室１０２ａの壁面やノズル部１０４などに当たることで生じた圧力波が含まれることになるが、これらの詳細は後述する。
【００１８】
信号発生部２は、気泡Ｂなどの異物を検出するための電気信号を発生させる。すなわち、所定の周波数を有する圧力波を圧電部１０１により発生させるための電気信号を発生させる。この場合、信号発生部２は、後述する（３）式や（４）式を満足する周波数ｆを有した電気信号を発生させるようにすることができる。
なお、周波数のレンジに応じて複数の信号発生部と、周波数レンジの切換部とを設けるようにしてもよい。
なお、前述したように、信号発生部２は、圧電部１０１を加圧源として駆動するための電気信号を出力する機能をも有している。
【００１９】
切換部３は、電気信号の切り替えを行う。例えば、信号発生部２からの電気信号が圧電部１０１に送られる際には、検出部５側にその電気信号が送られないようにする。一方、圧電部１０１からの電気信号が検出部５側に送られる際には、信号発生部２側にその電気信号が送られないようにする。
【００２０】
格納部４は、基準となる情報を格納する。例えば、液体に気泡Ｂなどの異物が含まれていない状態に関する情報を格納するようにすることができる。気泡Ｂなどの異物が含まれていない状態に関する情報は、予め収集されたものを格納するようにすることができる。また、吐出状態などから判断して気泡Ｂなどの異物がない状態であると推定された情報を逐次格納するようにすることもできる。
【００２１】
検出部５は、圧電部１０１により収集された情報、すなわち、後述する反射波に関する情報と、格納部４からの情報とに基づいて気泡Ｂなどの異物の有無および気泡Ｂなどの異物の大きさの少なくともいずれかを検出する。つまり、検出部５は、反射波を変換した電気信号と、格納された情報に基づく電気信号と、の差に基づいて気泡Ｂなどの異物の有無および気泡Ｂなどの異物の大きさの少なくともいずれかを検出する。
この場合、後述するように、検出部５は、反射波を変換した電気信号と、格納部４に格納された情報に基づく電気信号と、の差の２乗に基づいて異物の大きさを検出するようにすることができる。
また、検出部５は、反射波を変換した電気信号と、格納部４に格納された情報に基づく電気信号と、の差に基づいて散乱断面積σｓｃを求め、予め求められた気泡Ｂなどの異物の大きさと散乱断面積σｓｃとの関係から気泡Ｂなどの異物の大きさを検出するようにすることができる。
また、検出部５は、気泡Ｂなどの異物の有無に関する検出結果や、気泡Ｂなどの異物の大きさの検出結果を、外部の機器などに向けて出力するようにすることができる。なお、気泡Ｂなどの異物の有無の検出や気泡Ｂなどの大きさの検出に関する詳細は後述する。
【００２２】
次に、異物検出装置１の作用について例示する。
ここでは、一例として、異物が気泡Ｂである場合を例に挙げて説明する。
図２は、検出のタイミングを例示するための模式グラフ図である。
図２に示すように、圧電部１０１に所定の電気信号Ａを印加すると、液体中に圧力波が生じる。
そして、電気信号Ａの印加後においては、可撓性膜１０３などによる機械系振動、後述する「気泡による圧力波」、液室１０２ａの壁面やノズル部１０４などに当たることで生じた圧力波などにより、図２中のＳに示すような電気信号が受信部でもある圧電部１０１により検出される。
そのため、気泡Ｂの有無の検出や気泡Ｂの大きさの検出は、電気信号Ｓに基づいて行われることになる。
なお、電気信号Ｓには「気泡による圧力波」以外の情報も含まれているが、検出部５において、気泡Ｂが含まれていない場合の電気信号との差を求めることで「気泡による圧力波」以外の情報を除くことができる。
【００２３】
まず、気泡Ｂに関する検出のために、信号発生部２において所定の周波数ｆを有する電気信号を発生させる。この電気信号は、圧電部１０１により所定の周波数を有する圧力波を発生させるためのものである。
また、周波数のレンジに応じて複数の信号発生部と、周波数レンジの切換部とが設けられている場合には、適切な周波数を有する電気信号を発生させることができるように周波数レンジの切り換えが行われる。
なお、周波数ｆに関する詳細は後述する。
【００２４】
信号発生部２から出力された電気信号は、切換部３を介して圧電部１０１に入力される。異物検出装置１の発信部でもある圧電部１０１は、入力された電気信号を屈曲変位に変換することで圧力波を発生させる。
【００２５】
発生した圧力波は、可撓性膜１０３を介して液室１０２ａ内の液体中を伝播し、液室１０２ａの壁面やノズル部１０４などに当たることで散乱（反射）による圧力波が生じる。 また、気泡Ｂがある場合には圧力波が気泡Ｂに当たることで散乱（反射）による圧力波が生じる。さらに、圧力波が気泡Ｂに当たることで気泡Ｂに体積変化が生じ、この体積変化に起因する圧力波が生じる。なお、気泡Ｂに係る散乱による圧力波と、体積変化に起因する圧力波とでは、体積変化に起因する圧力波の方が圧力が桁違いに大きい。
本明細書においては、気泡Ｂに当たることで生じた散乱による圧力波と、気泡Ｂの体積変化に起因する圧力波とを併せたものを「気泡による圧力波」と称することにする。
また、「気泡による圧力波」と、液室１０２ａの壁面やノズル部１０４などに当たることで生じた圧力波と、前述した可撓性膜１０３などの機械系振動に関するものとを併せたものを「反射波」と称することにする。
そのため、反射波には気泡Ｂの有無や大きさなどの気泡Ｂに関する情報が含まれることになる。
発生した反射波は、異物検出装置１の受信部でもある圧電部１０１に入射し、圧電部１０１の屈曲変位に応じた電気信号に変換される。
【００２６】
反射波に基づく電気信号は、切換部３を介して検出部５に入力する。一方、格納部４からは気泡Ｂが含まれていない状態に関する情報が電気信号に変換されて提供される。そして、検出部５において反射波に基づく電気信号と、気泡Ｂが含まれていない場合の電気信号との差を求めることで気泡Ｂに関する情報が抽出される。
【００２７】
検出部５は、抽出された気泡Ｂに関する情報に基づいて気泡Ｂの有無を検出する。気泡Ｂの有無の検出は、例えば、予め定められた閾値などに基づいて行うようにすることができる。また、検出部５は、抽出された気泡Ｂに関する情報に基づいて気泡Ｂの大きさを検出することもできる。
【００２８】
次に、気泡Ｂの有無の検出や気泡Ｂの大きさの検出についてさらに例示をする。
図３は、気泡Ｂに関する情報の抽出を例示するための模式グラフ図である。
図３（ａ）は気泡Ｂがある場合の反射波に基づく電気信号Ｓ１と、気泡Ｂがない場合の反射波に基づく電気信号Ｓ２とを例示するための模式グラフ図、図３（ｂ）は気泡Ｂに関する情報が含まれた電気信号を例示するための模式グラフ図である。
図３（ａ）に示すように、気泡Ｂがある場合の反射波に基づく電気信号Ｓ１と、気泡Ｂが含まれていない場合の電気信号Ｓ２とでは波形が異なるものとなる。
そのため、気泡Ｂがある場合の反射波に基づく電気信号Ｓ１と気泡Ｂが含まれていない場合の電気信号Ｓ２との差を求めることで、図３（ｂ）に示すように気泡Ｂに関する情報が含まれた電気信号を抽出することができる。なお、気泡Ｂが含まれていない場合の反射波に基づく電気信号と、気泡Ｂが含まれていない場合の電気信号Ｓ２とでは波形が同様のものとなるので、両者の差を求めるとほぼ０（零）となる。
このようにして抽出された気泡Ｂに関する情報と予め定められた閾値などを用いて気泡Ｂの有無を検出するようにすることができる。
【００２９】
図４は、気泡Ｂの半径寸法と散乱断面積の関係を例示するためのグラフ図である。
横軸は気泡Ｂの半径寸法、縦軸は散乱断面積σｓｃであり、図中のｄ１〜ｄ５は液室１０２ａの等価直径寸法を表している。なお、ｄ１は１０ｍｍ、ｄ２は４ｍｍ、ｄ３は３ｍｍ、ｄ４は２ｍｍ、ｄ５は１ｍｍの場合である。
ここで、気泡Ｂの半径寸法と散乱断面積σｓｃとの関係において、散乱断面積σｓｃが一定の場合であっても、散乱断面積σｓｃに対応する気泡Ｂの半径寸法が複数存在する場合がある。
例えば、図４に示すように、等価直径寸法がｄ１の場合に散乱断面積σｓｃを「α」とすると、これに対応する気泡Ｂの半径寸法が３つ存在することになる。
そのため、この様な場合には、気泡Ｂの大きさの特定が困難となる。
この場合、気泡Ｂの大きさを知ることができないので、吐出異常（不吐出の発生、液量の均一性の悪化、着弾精度の悪化など）が発生する大きさに気泡Ｂが成長する前に、排出動作などを行わせるなどの対処が行えなかった。そのため、吐出異常の発生を未然に防止することができなかった。
【００３０】
しかしながら、図４に示すように、気泡Ｂの半径寸法と散乱断面積σｓｃとの関係が線形になる部分においては、散乱断面積σｓｃから気泡Ｂの半径寸法を求めることができる。 ここで、散乱断面積σｓｃは以下の（１）式により求めることができる。
【数１】
なお、Ｗｓｃは散乱パワー、Ｉｉｎｃは入射強度である。
【００３１】
また、散乱パワーＷｓｃは以下の（２）式により求めることができる。
【数２】
ここで、ρは液体の密度、ｃは音速、ｒは気泡Ｂまでの距離、Ｐｓ（ｒ、ｔ）は気泡Ｂから放射される圧力である。この場合、Ｐｓ（ｒ、ｔ）は空間依存と時間依存とを含むものである。また、〈 〉ｔは、時間平均であることを表している。なお、小さい領域においてはｒを液体が収納される要素の圧力伝播方向の寸法とすることができる。例えば、液室１０２ａにおいてはｒを液室１０２ａの軸方向寸法（吐出方向の寸法）とすることができる。
【００３２】
そして、Ｐｓ（ｒ、ｔ）は気泡Ｂから放射される圧力であるため、図３（ｂ）に例示をした波形がＰｓ（ｒ、ｔ）となる。
すなわち、図３（ｂ）に例示をしたような気泡Ｂに関する情報が含まれた電気信号を抽出することで、散乱断面積σｓｃを求めて気泡Ｂの大きさを検出するようにすることができる。
なお、気泡Ｂに関する情報が含まれた電気信号から散乱断面積σｓｃを演算し、演算された散乱断面積σｓｃから気泡Ｂの半径寸法を演算することは、検出部５において行うようにすることができる。
【００３３】
ここで、散乱断面積σｓｃから気泡Ｂの半径寸法を演算する場合を例示したがこれに限定されるわけではない。
気泡Ｂに関する情報が含まれたＰｓ（ｒ、ｔ）を知ることができれば、散乱断面積σｓｃの演算までを行わなくても気泡Ｂの半径寸法を演算することができる。
すなわち、（２）式の内、気泡Ｂに関する情報が含まれた部分はＰｓ（ｒ、ｔ）であるため、気泡Ｂの半径寸法と散乱断面積σｓｃとの関係と同様に、気泡Ｂの半径寸法とＰｓ（ｒ、ｔ）２との関係を求めることができる。
そのため、気泡Ｂに関する情報が含まれた電気信号と、気泡Ｂが含まれていない状態に関する情報に基づく電気信号と、の差の２乗に基づいて気泡Ｂの大きさを検出することができることになる。
【００３４】
ここで、図４に示すように、気泡Ｂの半径寸法と散乱断面積σｓｃとの関係が線形になる部分と非線形になる部分とが生じる。
また、気泡Ｂの半径寸法と散乱断面積σｓｃとの関係が線形になる部分においては、液室１０２ａの等価直径寸法ｄ１〜ｄ５による影響が小さいことが分かる。
そのため、気泡Ｂの半径寸法と散乱断面積σｓｃとの関係が線形となるように圧電部１０１を駆動するようにすることが好ましい。
【００３５】
この場合、圧電部１０１の駆動周波数、すなわち、信号発生部２において発生させる電気信号の周波数ｆを以下の（３）式のようにすれば、気泡Ｂの半径寸法と散乱断面積σｓｃとの関係が線形となるようにすることができる。
【００３６】
【数３】
ここで、Ｒｏは最大気泡サイズ、Ｐｏは液室１０２ａ内の液体の平衡圧力、ρは液体の密度、γは比熱比である。
なお、最大気泡サイズＲｏとは、検出対象とする気泡のうち最も大きさが大きい気泡の半径寸法である。例えば、後述する吐出異常の判定に用いられる閾値に対応する気泡の半径寸法などである。
【００３７】
この場合、平衡圧力Ｐｏや最大気泡サイズＲｏは、異物検出装置１が設けられる対象に応じて適宜設定することができる。
そして、例えば、予め実験やシミュレーションなどにより求められた平衡圧力Ｐｏや最大気泡サイズＲｏを用いて、信号発生部２において発生させる電気信号の周波数ｆを求める。そして、求められた周波数ｆにより圧電部１０１を駆動するようにすれば、気泡Ｂの半径寸法と散乱断面積σｓｃとの関係を線形とすることができる。そのため、前述した（１）式、（２）式を用いて演算された散乱断面積σｓｃから気泡Ｂの半径寸法を求めることが容易となる。
すなわち、この様にして求められた周波数ｆにより圧電部１０１を駆動するようにすれば、最大気泡サイズＲｏ以下の大きさの気泡Ｂの半径寸法を求めることができるようになる。
【００３８】
また、液室１０２ａの等価直径寸法ｄを考慮するようにすれば、散乱断面積σｓｃに対応する気泡Ｂの半径寸法が複数存在しないようにすることができる。
すなわち、散乱断面積σｓｃに対応する気泡Ｂの半径寸法を１つとすることができるので、誤検出をなくすことができる。
この場合、本発明者の得た知見によれば、以下の（４）式を満足するような周波数ｆを有する電気信号を信号発生部２において発生させるようにすれば、誤検出の発生をなくすことができる。
【００３９】
【数４】
ここで、ｄは液室１０２ａの等価直径寸法である。
【００４０】
なお、以下の（５）式を満足するような等価直径寸法ｄを有する液室１０２ａが設けられるようにすることもできる。
この場合、液室１０２ａは、異常検出装置１に設けられた液体を収納する収納部の一例に相当することになる。
【数５】
ここで、ｆは信号発生部２において発生させる周波数である。
【００４１】
（３）式や（４）式に示した周波数ｆに関する情報は信号発生部２に入力され、信号発生部２は入力された周波数ｆに関する情報に基づいて電気信号を発生させる。
なお、入力された最大気泡サイズＲｏ、液室１０２ａ内の液体の平衡圧力Ｐｏ、液体の密度ρ、比熱比γ、液室１０２ａの等価直径寸法ｄなどに基づいて周波数ｆに関する情報を演算する図示しない演算部を設け、演算された周波数ｆに関する情報を図示しない演算部から信号発生部２に提供させるようにすることもできる。
【００４２】
本実施の形態に係る異物検出装置１によれば、気泡Ｂなどの異物の有無のみならず、高い精度で気泡Ｂなどの異物の大きさをも検出することができる。
そのため、不具合の未然防止や生産性の向上をさらに高い確度で実現することができる。
【００４３】
以上、気泡Ｂの有無を検出する場合を例示したが、ゴミなどの固体の異物の有無も検出することができる。また、気泡Ｂの大きさを検出する場合を例示したが、圧力変化により体積変化が生じるような異物の大きさを検出することができる。
【００４４】
次に、液滴吐出装置１００の作用について例示をする。
信号発生部２において圧電部１０１により圧力波を発生させるための電気信号を発生させる。この場合、圧電部１０１に印加する電圧を制御すれば圧電部１０１の屈曲変位、ひいては吐出量を制御することができる。そのため、信号発生部２において発生させる電気信号は吐出量に応じた電圧変化を有している。
【００４５】
信号発生部２から出力された電気信号は、切換部３を介して圧電部１０１に入力する。圧電部１０１は、入力された電気信号を屈曲変位に変換することで圧力波を発生させる。発生した圧力波は、可撓性膜１０３を介して液室１０２ａ内の液体に伝えられ、液室１０２ａ内の液体がノズル孔１０４ａの方向に向かって加圧される。ノズル孔１０４ａの方向に向かって加圧された液体は、ノズル孔１０４ａから液滴として吐出される。吐出により減少した分の液体は、図示しない流路を介して液室１０２ａ内に補充される。
【００４６】
そして、例えば、逐次または定期的に前述した気泡Ｂの有無の検出や大きさの検出が行われる。
また、検出された気泡Ｂの大きさに基づいて、吐出異常の発生に関する判定が行われる。
この場合、所定の閾値より大きな気泡Ｂが有る場合には、吐出作業を中断して液室１０２ａから気泡Ｂを排出させるメンテナンス作業を行うようにすることができる。
また、例えば、気泡Ｂの大きさが所定の閾値未満の場合には吐出作業を続行し、気泡Ｂの大きさが所定の閾値以上の場合には吐出作業を中断して液室１０２ａから気泡Ｂを排出させるメンテナンス作業を行うようにすることができる。
【００４７】
本実施の形態に係る液滴吐出装置１００によれば、不具合の発生を未然に防止したり、生産性を向上させたりすることができる。
【００４８】
[第２の実施形態]
図５は、第２の実施形態に係る異物検出装置および液滴吐出装置を例示するための模式図である。
図５に例示をした液滴吐出装置１００ａも圧電型の液滴吐出装置である。
液滴吐出装置１００ａには、圧電部１０１、ノズル本体１０２、可撓性膜１０３、ノズル部１０４、減衰部１０５、カバー１０６、異物検出装置１ａが設けられている。
本実施の形態においては、圧電部１０１は液体を吐出させるための加圧源となるが、異物検出装置１ａの発信部としての機能をも有している。ただし、前述した液滴吐出装置１００とは異なり、異物検出装置１ａの受信部としての機能は有していない。
【００４９】
異物検出装置１ａには、信号発生部２、格納部４、検出部５、受信部６が設けられている。
前述した異物検出装置１の場合には、圧電部１０１を異物検出装置１の発信部および受信部とし、切換部３により電気信号の切り替えを行うようにしている。
これに対して、異物検出装置１ａの場合には、受信部６を別途設けるようにしているので切換部３が不要となる。
【００５０】
受信部６は、例えば、圧電部１０１と同様に圧電材料から形成された部材と駆動電極とを有するものとすることができる。ただし、これに限定されるわけではなく機械的な変位に応じた電気信号を発生させることができるものを適宜選択することができる。
【００５１】
異物検出装置１ａにおいては、発生した反射波を受信部６により受信し、受信部６により電気信号に変換する。
この反射波に基づく電気信号は、検出部５に入力され、前述したものと同様にして気泡Ｂの有無や気泡Ｂの大きさが検出される。
なお、気泡Ｂの有無の検出や気泡Ｂの大きさの検出は前述したものと同様とすることができるので詳細な説明は省略する。
【００５２】
本実施の形態に係る異物検出装置１ａによれば、前述した異物検出装置１と同様の効果を享受することができる。また、切換部３を省略できる点に関して構成の簡素化を図ることができる。
なお、液滴吐出装置１００ａの作用は、前述した液滴吐出装置１００の場合と同様とすることができるので詳細な説明は省略する。
【００５３】
以上に例示をしたものは、圧電部１０１と異物検出装置１の発信部および受信部とを兼用とした場合、圧電部１０１と異物検出装置１ａの発信部とを兼用とした場合であるがこれに限定されるわけではない。例えば、圧電部１０１と異物検出装置の受信部とを兼用とすることもできる。また、圧電部１０１と異物検出装置の発信部および受信部とをそれぞれ別個に設けるようにすることもできる。なお、サーマル型の液滴吐出装置の場合は、異物検出装置の受信部を設けるようにするだけでもよい。この場合、受信部としては前述したもののような圧電部とすることが好ましい。
【００５４】
[第３の実施形態]
次に、第３の実施形態に係る異物検出方法について例示する。
図６は、第３の実施形態に係る異物検出方法を例示するためのフローチャートである。 ここでは、一例として、異物が気泡Ｂである場合を例に挙げて説明する。
まず、所定の周波数ｆを有する圧力波を液体に導入する（ステップＳ１）。
この場合、周波数ｆは（３）式を満足するものとすることができる。またさらに、（４）式をも満足するものとすることができる。
また、周波数のレンジに応じて複数の信号発生部と、周波数レンジの切換部とが設けられている場合には、適切な周波数ｆを有する電気信号を発生させることができるように周波数レンジの切り換えが行われる。
【００５５】
次に、液体からの反射波を電気信号に変換する（ステップＳ２）。
次に、反射波を変換した電気信号と、気泡Ｂが含まれていない場合の電気信号との差を求めることで気泡Ｂに関する情報を抽出する（ステップＳ３）。
次に、抽出された気泡Ｂに関する情報に基づいて気泡Ｂの有無および気泡Ｂの大きさの少なくともいずれかを求める（ステップＳ４）。
この際、気泡Ｂの大きさは前述したものと同様にして求めるようにすることができる。例えば、気泡Ｂに関する情報が含まれた電気信号と、気泡Ｂが含まれていない状態に関する情報と、の差の２乗に基づいて異物の大きさを検出するようにすることができる。
また、例えば、（１）式、（２）式により散乱断面積σｓｃを求め、予め求められた気泡Ｂの半径寸法と散乱断面積σｓｃの関係（例えば、図４を参照）から気泡Ｂの半径寸法を求めるようにすることができる。
なお、各ステップにおける内容は、前述したものと同様とすることができるので詳細な説明は省略する。
また、気泡Ｂの有無を求める場合を例示したが、ゴミなどの固体の異物の有無も求めることができる。
また、気泡Ｂの大きさを求める場合を例示したが、圧力変化により体積変化が生じるような異物の大きさを求めることができる。
【００５６】
本実施の形態に係る異物検出方法によれば、液室１０２ａなどのような小さな領域であっても気泡Ｂなどの異物を精度良く検出することができる。また、高い精度で気泡Ｂなどの異物の大きさを求めることができるので、不具合の未然防止や生産性の向上をさらに高い確度で実現することができる。
【００５７】
[第４の実施形態]
次に、第４の実施形態に係る液滴吐出方法について例示する。
図６は、第４の実施形態に係る液滴吐出方法を例示するためのフローチャートである。 ここでは、一例として、異物が気泡Ｂである場合を例に挙げて説明する。
まず、所定の圧力を液体に加え、ノズル孔から液体を液滴として吐出させる（ステップＳ１１）。
次に、前述した異物検出方法を用いて気泡Ｂの有無および気泡Ｂの大きさの少なくともいずれかを求める（ステップＳ１２）。
この場合、例えば、逐次または定期的に異物検出方法を実行することができる。
【００５８】
所定の閾値より大きな気泡Ｂが有る場合には、吐出作業を中断して液体中から気泡Ｂを排出させるメンテナンス作業を行うようにすることができる。
この場合、気泡Ｂの大きさが所定の閾値未満の場合には吐出作業を続行し、気泡Ｂの大きさが所定の閾値以上の場合には吐出作業を中断して液体中から気泡Ｂを排出させるメンテナンス作業を行うようにすることもできる。
本実施の形態に係る液滴吐出方法によれば、不具合の発生を未然に防止したり、生産性を向上させたりすることができる。
【００５９】
以上に例示をした実施形態によれば、異物を精度良く検出することができる異物検出装置、異物検出方法、液滴吐出装置、および液滴吐出方法を実現することができる。
以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。
【００６０】
例えば、異物検出装置１、異物検出装置１ａ、液滴吐出装置１００、液滴吐出装置１００ａなどが備える各要素の形状、寸法、材質、配置、数などは、例示をしたものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。
【符号の説明】
【００６１】
１ 異物検出装置、１ａ 異物検出装置、２ 信号発生部、３ 切換部、４ 格納部、５ 検出部、６ 受信部、１００ 液滴吐出装置、１００ａ 液滴吐出装置、１０１ 圧電部、１０２ ノズル本体、１０２ａ 液室、１０３ 可撓性膜、１０４ ノズル部、Ｂ 気泡
【技術分野】
【０００１】
後述する実施形態は、概ね、異物検出装置、異物検出方法、液滴吐出装置、および液滴吐出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体中にある異物を検出する技術が知られている。
例えば、液滴吐出装置において、吐出させる液体中に気泡などの異物が有るか否かを検出する技術が提案されている。
このような技術においては、例えば、気泡が存在することによる振動レベルの減衰や、残留振動波形から気泡の有無を判別するようにしている。
しかしながら、このような技術においては、細い管路中などのような小さな領域にある気泡などの異物を検出することが困難であった。そのため、細い管路中などのような小さな領域にある気泡などの異物を精度良く検出することができる技術の開発が望まれていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−７２６９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の実施形態は、異物を精度良く検出することができる異物検出装置、異物検出方法、液滴吐出装置、および液滴吐出方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態に係る異物検出装置は、電気信号を発生させる信号発生部と、前記電気信号を変換して液体中に圧力波を発生させる発信部と、前記液体からの反射波を受信して電気信号に変換する受信部と、前記液体に異物が含まれていない状態に関する情報を格納する格納部と、前記反射波を変換した電気信号と、前記格納された情報に基づく電気信号と、の差に基づいて前記異物の有無および前記異物の大きさの少なくともいずれかを検出する検出部と、を備えている。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】第１の実施形態に係る異物検出装置および液滴吐出装置を例示するための模式図である。
【図２】検出のタイミングを例示するための模式グラフ図である。
【図３】気泡Ｂに関する情報の抽出を例示するための模式グラフ図である。（ａ）は気泡Ｂがある場合の反射波に基づく電気信号Ｓ１と、気泡Ｂがない場合の電気信号Ｓ２とを例示するための模式グラフ図、（ｂ）は気泡Ｂに関する情報が含まれた電気信号を例示するための模式グラフ図である。
【図４】気泡Ｂの直径寸法と散乱断面積の関係を例示するためのグラフ図である。
【図５】第２の実施形態に係る異物検出装置および液滴吐出装置を例示するための模式図である。
【図６】第３の実施形態に係る異物検出方法を例示するためのフローチャートである。
【図７】第４の実施形態に係る液滴吐出方法を例示するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
以下、図面を参照しつつ、実施の形態について例示をする。なお、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
なお、以下においては、一例として、異物検出装置を液滴吐出装置に設けた場合、異物検出方法を液滴吐出方法に適用した場合を例示する。ただし、異物検出装置や異物検出方法の適用対象はこれに限定されるわけではなく、液体に含まれた気泡などの異物の検出に広く適用することができる。
【０００８】
[第１の実施形態]
図１は、第１の実施形態に係る異物検出装置および液滴吐出装置を例示するための模式図である。
液滴吐出装置の駆動方式には、加熱により気泡を発生させ膜沸騰現象を利用して液体を吐出させる「サーマル型」と、圧電素子の屈曲変位を利用して液体を吐出させる「圧電型」と、があるが、一例として、ここでは圧電型を例に挙げて説明する。
【０００９】
液滴吐出装置１００には、圧電部１０１、ノズル本体１０２、可撓性膜１０３、ノズル部１０４、減衰部１０５、カバー１０６、異物検出装置１が設けられている。
【００１０】
圧電部１０１は、例えば、駆動電極１０１ａ、部材１０１ｂ、駆動電極１０１ｃ、部材１０１ｄ、駆動電極１０１ｅを順に積層した後、一体焼成したものとすることができる。一体焼成された圧電部１０１は、強度が高く取扱も容易である。
部材１０１ｂ、部材１０１ｄは、圧電材料から形成されたものとすることができる。圧電材料としては、圧電セラミックス（例えば、ジルコンチタン酸鉛）などを例示することができる。駆動電極１０１ａ、駆動電極１０１ｃ、駆動電極１０１ｅは銅合金などから形成されたものとすることができる。
後述するように、圧電部１０１は液体を吐出させるための加圧源となるが、異物検出装置１の発信部および受信部としての機能をも有している。なお、異物検出装置１に設けられた信号発生部２は、圧電部１０１を加圧源として駆動するための電気信号を出力する機能をも有している。
【００１１】
ノズル本体１０２には、吐出させる液体を収納する液室１０２ａが設けられている。液室１０２ａは、ノズル本体１０２の両端部間を貫通するようにして設けられている。液室１０２ａは、例えば、等価直径寸法がｄとなる断面を有したものとすることができる。
ここで、等価直径寸法ｄは、液室１０２ａの断面形状が円形の場合にはその直径寸法であり、例えば、液室１０２ａの断面形状が多角形などの場合には同じ断面積を有する円形断面に変換した場合の直径寸法である。
なお、等価直径寸法ｄに関する詳細は後述する。
また、液室１０２ａには図示しない流路が連通され、図示しない流路を介して液室１０２ａ内に液体が供給されるようになっている。
ノズル本体１０２は、例えば、ステンレスやニッケル合金などから形成されたものとすることができる。
【００１２】
可撓性膜１０３は、ノズル本体１０２の一方の端部に設けられている。可撓性膜１０３は、液室１０２ａの開口部を覆うように設けられている。
また、可撓性膜１０３のノズル本体１０２に設けられた側とは反対側の面には、圧電部１０１が設けられている。この場合、圧電部１０１の屈曲変位による圧力波が液室１０２ａ内の液体に伝わりやすくなるように、液室１０２ａの開口部と対向させるようにして圧電部１０１を設けるようにすることができる。なお、本実施の形態においては、圧電部１０１がノズル本体１０２の一方の端部側に設けられた液室１０２ａ内の液体に圧力を加える加圧部となる。
可撓性膜１０３は、例えば、ステンレスなどから形成されたものとすることができる。
【００１３】
ノズル部１０４は、ノズル本体１０２の他方の端部に設けられている。ノズル部１０４は、板状を呈し、厚み方向を貫通するノズル孔１０４ａが設けられている。ノズル孔１０４ａの一端は液室１０２ａに開口し、他端は液滴吐出装置１００の外部に開口している。
【００１４】
ノズル部１０４は、例えば、ステンレスやニッケル合金などから形成されたものとすることができる。
【００１５】
減衰部１０５は、圧電部１０１の周囲を囲うようにして可撓性膜１０３に設けられている。圧電部１０１においてはいわゆるメイン振動が発生するが、これと同時にスプリアス振動などの不要な振動も発生する。そのため、減衰部１０５を設けることでスプリアス振動などを減衰させ、スプリアス振動などがメイン振動に及ぼす悪影響を低減させるようにしている。
減衰部１０５は、例えば、シリコーンゴムなどから形成されたものとすることができる。
【００１６】
カバー１０６は、一端が開口された収納部１０６ａを備えている。そして、収納部１０６ａの内部に圧電部１０１、減衰部１０５を収納するようにして可撓性膜１０３に設けられている。また、カバー１０６には、圧電部１０１の配線を通すための図示しない孔などが適宜設けられている。
カバー１０６は、例えば、樹脂や金属などから形成されたものとすることができる。
【００１７】
異物検出装置１には、信号発生部２、切換部３、格納部４、検出部５が設けられている。
前述したように、本実施の形態においては、圧電部１０１が電気信号を変換して液体中に圧力波を発生させる発信部、および、反射波を受信して電気信号に変換する受信部としての機能を果たす。
なお、反射波には、後述する機械系振動に基づくもの、「気泡による圧力波」、液室１０２ａの壁面やノズル部１０４などに当たることで生じた圧力波が含まれることになるが、これらの詳細は後述する。
【００１８】
信号発生部２は、気泡Ｂなどの異物を検出するための電気信号を発生させる。すなわち、所定の周波数を有する圧力波を圧電部１０１により発生させるための電気信号を発生させる。この場合、信号発生部２は、後述する（３）式や（４）式を満足する周波数ｆを有した電気信号を発生させるようにすることができる。
なお、周波数のレンジに応じて複数の信号発生部と、周波数レンジの切換部とを設けるようにしてもよい。
なお、前述したように、信号発生部２は、圧電部１０１を加圧源として駆動するための電気信号を出力する機能をも有している。
【００１９】
切換部３は、電気信号の切り替えを行う。例えば、信号発生部２からの電気信号が圧電部１０１に送られる際には、検出部５側にその電気信号が送られないようにする。一方、圧電部１０１からの電気信号が検出部５側に送られる際には、信号発生部２側にその電気信号が送られないようにする。
【００２０】
格納部４は、基準となる情報を格納する。例えば、液体に気泡Ｂなどの異物が含まれていない状態に関する情報を格納するようにすることができる。気泡Ｂなどの異物が含まれていない状態に関する情報は、予め収集されたものを格納するようにすることができる。また、吐出状態などから判断して気泡Ｂなどの異物がない状態であると推定された情報を逐次格納するようにすることもできる。
【００２１】
検出部５は、圧電部１０１により収集された情報、すなわち、後述する反射波に関する情報と、格納部４からの情報とに基づいて気泡Ｂなどの異物の有無および気泡Ｂなどの異物の大きさの少なくともいずれかを検出する。つまり、検出部５は、反射波を変換した電気信号と、格納された情報に基づく電気信号と、の差に基づいて気泡Ｂなどの異物の有無および気泡Ｂなどの異物の大きさの少なくともいずれかを検出する。
この場合、後述するように、検出部５は、反射波を変換した電気信号と、格納部４に格納された情報に基づく電気信号と、の差の２乗に基づいて異物の大きさを検出するようにすることができる。
また、検出部５は、反射波を変換した電気信号と、格納部４に格納された情報に基づく電気信号と、の差に基づいて散乱断面積σｓｃを求め、予め求められた気泡Ｂなどの異物の大きさと散乱断面積σｓｃとの関係から気泡Ｂなどの異物の大きさを検出するようにすることができる。
また、検出部５は、気泡Ｂなどの異物の有無に関する検出結果や、気泡Ｂなどの異物の大きさの検出結果を、外部の機器などに向けて出力するようにすることができる。なお、気泡Ｂなどの異物の有無の検出や気泡Ｂなどの大きさの検出に関する詳細は後述する。
【００２２】
次に、異物検出装置１の作用について例示する。
ここでは、一例として、異物が気泡Ｂである場合を例に挙げて説明する。
図２は、検出のタイミングを例示するための模式グラフ図である。
図２に示すように、圧電部１０１に所定の電気信号Ａを印加すると、液体中に圧力波が生じる。
そして、電気信号Ａの印加後においては、可撓性膜１０３などによる機械系振動、後述する「気泡による圧力波」、液室１０２ａの壁面やノズル部１０４などに当たることで生じた圧力波などにより、図２中のＳに示すような電気信号が受信部でもある圧電部１０１により検出される。
そのため、気泡Ｂの有無の検出や気泡Ｂの大きさの検出は、電気信号Ｓに基づいて行われることになる。
なお、電気信号Ｓには「気泡による圧力波」以外の情報も含まれているが、検出部５において、気泡Ｂが含まれていない場合の電気信号との差を求めることで「気泡による圧力波」以外の情報を除くことができる。
【００２３】
まず、気泡Ｂに関する検出のために、信号発生部２において所定の周波数ｆを有する電気信号を発生させる。この電気信号は、圧電部１０１により所定の周波数を有する圧力波を発生させるためのものである。
また、周波数のレンジに応じて複数の信号発生部と、周波数レンジの切換部とが設けられている場合には、適切な周波数を有する電気信号を発生させることができるように周波数レンジの切り換えが行われる。
なお、周波数ｆに関する詳細は後述する。
【００２４】
信号発生部２から出力された電気信号は、切換部３を介して圧電部１０１に入力される。異物検出装置１の発信部でもある圧電部１０１は、入力された電気信号を屈曲変位に変換することで圧力波を発生させる。
【００２５】
発生した圧力波は、可撓性膜１０３を介して液室１０２ａ内の液体中を伝播し、液室１０２ａの壁面やノズル部１０４などに当たることで散乱（反射）による圧力波が生じる。 また、気泡Ｂがある場合には圧力波が気泡Ｂに当たることで散乱（反射）による圧力波が生じる。さらに、圧力波が気泡Ｂに当たることで気泡Ｂに体積変化が生じ、この体積変化に起因する圧力波が生じる。なお、気泡Ｂに係る散乱による圧力波と、体積変化に起因する圧力波とでは、体積変化に起因する圧力波の方が圧力が桁違いに大きい。
本明細書においては、気泡Ｂに当たることで生じた散乱による圧力波と、気泡Ｂの体積変化に起因する圧力波とを併せたものを「気泡による圧力波」と称することにする。
また、「気泡による圧力波」と、液室１０２ａの壁面やノズル部１０４などに当たることで生じた圧力波と、前述した可撓性膜１０３などの機械系振動に関するものとを併せたものを「反射波」と称することにする。
そのため、反射波には気泡Ｂの有無や大きさなどの気泡Ｂに関する情報が含まれることになる。
発生した反射波は、異物検出装置１の受信部でもある圧電部１０１に入射し、圧電部１０１の屈曲変位に応じた電気信号に変換される。
【００２６】
反射波に基づく電気信号は、切換部３を介して検出部５に入力する。一方、格納部４からは気泡Ｂが含まれていない状態に関する情報が電気信号に変換されて提供される。そして、検出部５において反射波に基づく電気信号と、気泡Ｂが含まれていない場合の電気信号との差を求めることで気泡Ｂに関する情報が抽出される。
【００２７】
検出部５は、抽出された気泡Ｂに関する情報に基づいて気泡Ｂの有無を検出する。気泡Ｂの有無の検出は、例えば、予め定められた閾値などに基づいて行うようにすることができる。また、検出部５は、抽出された気泡Ｂに関する情報に基づいて気泡Ｂの大きさを検出することもできる。
【００２８】
次に、気泡Ｂの有無の検出や気泡Ｂの大きさの検出についてさらに例示をする。
図３は、気泡Ｂに関する情報の抽出を例示するための模式グラフ図である。
図３（ａ）は気泡Ｂがある場合の反射波に基づく電気信号Ｓ１と、気泡Ｂがない場合の反射波に基づく電気信号Ｓ２とを例示するための模式グラフ図、図３（ｂ）は気泡Ｂに関する情報が含まれた電気信号を例示するための模式グラフ図である。
図３（ａ）に示すように、気泡Ｂがある場合の反射波に基づく電気信号Ｓ１と、気泡Ｂが含まれていない場合の電気信号Ｓ２とでは波形が異なるものとなる。
そのため、気泡Ｂがある場合の反射波に基づく電気信号Ｓ１と気泡Ｂが含まれていない場合の電気信号Ｓ２との差を求めることで、図３（ｂ）に示すように気泡Ｂに関する情報が含まれた電気信号を抽出することができる。なお、気泡Ｂが含まれていない場合の反射波に基づく電気信号と、気泡Ｂが含まれていない場合の電気信号Ｓ２とでは波形が同様のものとなるので、両者の差を求めるとほぼ０（零）となる。
このようにして抽出された気泡Ｂに関する情報と予め定められた閾値などを用いて気泡Ｂの有無を検出するようにすることができる。
【００２９】
図４は、気泡Ｂの半径寸法と散乱断面積の関係を例示するためのグラフ図である。
横軸は気泡Ｂの半径寸法、縦軸は散乱断面積σｓｃであり、図中のｄ１〜ｄ５は液室１０２ａの等価直径寸法を表している。なお、ｄ１は１０ｍｍ、ｄ２は４ｍｍ、ｄ３は３ｍｍ、ｄ４は２ｍｍ、ｄ５は１ｍｍの場合である。
ここで、気泡Ｂの半径寸法と散乱断面積σｓｃとの関係において、散乱断面積σｓｃが一定の場合であっても、散乱断面積σｓｃに対応する気泡Ｂの半径寸法が複数存在する場合がある。
例えば、図４に示すように、等価直径寸法がｄ１の場合に散乱断面積σｓｃを「α」とすると、これに対応する気泡Ｂの半径寸法が３つ存在することになる。
そのため、この様な場合には、気泡Ｂの大きさの特定が困難となる。
この場合、気泡Ｂの大きさを知ることができないので、吐出異常（不吐出の発生、液量の均一性の悪化、着弾精度の悪化など）が発生する大きさに気泡Ｂが成長する前に、排出動作などを行わせるなどの対処が行えなかった。そのため、吐出異常の発生を未然に防止することができなかった。
【００３０】
しかしながら、図４に示すように、気泡Ｂの半径寸法と散乱断面積σｓｃとの関係が線形になる部分においては、散乱断面積σｓｃから気泡Ｂの半径寸法を求めることができる。 ここで、散乱断面積σｓｃは以下の（１）式により求めることができる。
【数１】
なお、Ｗｓｃは散乱パワー、Ｉｉｎｃは入射強度である。
【００３１】
また、散乱パワーＷｓｃは以下の（２）式により求めることができる。
【数２】
ここで、ρは液体の密度、ｃは音速、ｒは気泡Ｂまでの距離、Ｐｓ（ｒ、ｔ）は気泡Ｂから放射される圧力である。この場合、Ｐｓ（ｒ、ｔ）は空間依存と時間依存とを含むものである。また、〈 〉ｔは、時間平均であることを表している。なお、小さい領域においてはｒを液体が収納される要素の圧力伝播方向の寸法とすることができる。例えば、液室１０２ａにおいてはｒを液室１０２ａの軸方向寸法（吐出方向の寸法）とすることができる。
【００３２】
そして、Ｐｓ（ｒ、ｔ）は気泡Ｂから放射される圧力であるため、図３（ｂ）に例示をした波形がＰｓ（ｒ、ｔ）となる。
すなわち、図３（ｂ）に例示をしたような気泡Ｂに関する情報が含まれた電気信号を抽出することで、散乱断面積σｓｃを求めて気泡Ｂの大きさを検出するようにすることができる。
なお、気泡Ｂに関する情報が含まれた電気信号から散乱断面積σｓｃを演算し、演算された散乱断面積σｓｃから気泡Ｂの半径寸法を演算することは、検出部５において行うようにすることができる。
【００３３】
ここで、散乱断面積σｓｃから気泡Ｂの半径寸法を演算する場合を例示したがこれに限定されるわけではない。
気泡Ｂに関する情報が含まれたＰｓ（ｒ、ｔ）を知ることができれば、散乱断面積σｓｃの演算までを行わなくても気泡Ｂの半径寸法を演算することができる。
すなわち、（２）式の内、気泡Ｂに関する情報が含まれた部分はＰｓ（ｒ、ｔ）であるため、気泡Ｂの半径寸法と散乱断面積σｓｃとの関係と同様に、気泡Ｂの半径寸法とＰｓ（ｒ、ｔ）２との関係を求めることができる。
そのため、気泡Ｂに関する情報が含まれた電気信号と、気泡Ｂが含まれていない状態に関する情報に基づく電気信号と、の差の２乗に基づいて気泡Ｂの大きさを検出することができることになる。
【００３４】
ここで、図４に示すように、気泡Ｂの半径寸法と散乱断面積σｓｃとの関係が線形になる部分と非線形になる部分とが生じる。
また、気泡Ｂの半径寸法と散乱断面積σｓｃとの関係が線形になる部分においては、液室１０２ａの等価直径寸法ｄ１〜ｄ５による影響が小さいことが分かる。
そのため、気泡Ｂの半径寸法と散乱断面積σｓｃとの関係が線形となるように圧電部１０１を駆動するようにすることが好ましい。
【００３５】
この場合、圧電部１０１の駆動周波数、すなわち、信号発生部２において発生させる電気信号の周波数ｆを以下の（３）式のようにすれば、気泡Ｂの半径寸法と散乱断面積σｓｃとの関係が線形となるようにすることができる。
【００３６】
【数３】
ここで、Ｒｏは最大気泡サイズ、Ｐｏは液室１０２ａ内の液体の平衡圧力、ρは液体の密度、γは比熱比である。
なお、最大気泡サイズＲｏとは、検出対象とする気泡のうち最も大きさが大きい気泡の半径寸法である。例えば、後述する吐出異常の判定に用いられる閾値に対応する気泡の半径寸法などである。
【００３７】
この場合、平衡圧力Ｐｏや最大気泡サイズＲｏは、異物検出装置１が設けられる対象に応じて適宜設定することができる。
そして、例えば、予め実験やシミュレーションなどにより求められた平衡圧力Ｐｏや最大気泡サイズＲｏを用いて、信号発生部２において発生させる電気信号の周波数ｆを求める。そして、求められた周波数ｆにより圧電部１０１を駆動するようにすれば、気泡Ｂの半径寸法と散乱断面積σｓｃとの関係を線形とすることができる。そのため、前述した（１）式、（２）式を用いて演算された散乱断面積σｓｃから気泡Ｂの半径寸法を求めることが容易となる。
すなわち、この様にして求められた周波数ｆにより圧電部１０１を駆動するようにすれば、最大気泡サイズＲｏ以下の大きさの気泡Ｂの半径寸法を求めることができるようになる。
【００３８】
また、液室１０２ａの等価直径寸法ｄを考慮するようにすれば、散乱断面積σｓｃに対応する気泡Ｂの半径寸法が複数存在しないようにすることができる。
すなわち、散乱断面積σｓｃに対応する気泡Ｂの半径寸法を１つとすることができるので、誤検出をなくすことができる。
この場合、本発明者の得た知見によれば、以下の（４）式を満足するような周波数ｆを有する電気信号を信号発生部２において発生させるようにすれば、誤検出の発生をなくすことができる。
【００３９】
【数４】
ここで、ｄは液室１０２ａの等価直径寸法である。
【００４０】
なお、以下の（５）式を満足するような等価直径寸法ｄを有する液室１０２ａが設けられるようにすることもできる。
この場合、液室１０２ａは、異常検出装置１に設けられた液体を収納する収納部の一例に相当することになる。
【数５】
ここで、ｆは信号発生部２において発生させる周波数である。
【００４１】
（３）式や（４）式に示した周波数ｆに関する情報は信号発生部２に入力され、信号発生部２は入力された周波数ｆに関する情報に基づいて電気信号を発生させる。
なお、入力された最大気泡サイズＲｏ、液室１０２ａ内の液体の平衡圧力Ｐｏ、液体の密度ρ、比熱比γ、液室１０２ａの等価直径寸法ｄなどに基づいて周波数ｆに関する情報を演算する図示しない演算部を設け、演算された周波数ｆに関する情報を図示しない演算部から信号発生部２に提供させるようにすることもできる。
【００４２】
本実施の形態に係る異物検出装置１によれば、気泡Ｂなどの異物の有無のみならず、高い精度で気泡Ｂなどの異物の大きさをも検出することができる。
そのため、不具合の未然防止や生産性の向上をさらに高い確度で実現することができる。
【００４３】
以上、気泡Ｂの有無を検出する場合を例示したが、ゴミなどの固体の異物の有無も検出することができる。また、気泡Ｂの大きさを検出する場合を例示したが、圧力変化により体積変化が生じるような異物の大きさを検出することができる。
【００４４】
次に、液滴吐出装置１００の作用について例示をする。
信号発生部２において圧電部１０１により圧力波を発生させるための電気信号を発生させる。この場合、圧電部１０１に印加する電圧を制御すれば圧電部１０１の屈曲変位、ひいては吐出量を制御することができる。そのため、信号発生部２において発生させる電気信号は吐出量に応じた電圧変化を有している。
【００４５】
信号発生部２から出力された電気信号は、切換部３を介して圧電部１０１に入力する。圧電部１０１は、入力された電気信号を屈曲変位に変換することで圧力波を発生させる。発生した圧力波は、可撓性膜１０３を介して液室１０２ａ内の液体に伝えられ、液室１０２ａ内の液体がノズル孔１０４ａの方向に向かって加圧される。ノズル孔１０４ａの方向に向かって加圧された液体は、ノズル孔１０４ａから液滴として吐出される。吐出により減少した分の液体は、図示しない流路を介して液室１０２ａ内に補充される。
【００４６】
そして、例えば、逐次または定期的に前述した気泡Ｂの有無の検出や大きさの検出が行われる。
また、検出された気泡Ｂの大きさに基づいて、吐出異常の発生に関する判定が行われる。
この場合、所定の閾値より大きな気泡Ｂが有る場合には、吐出作業を中断して液室１０２ａから気泡Ｂを排出させるメンテナンス作業を行うようにすることができる。
また、例えば、気泡Ｂの大きさが所定の閾値未満の場合には吐出作業を続行し、気泡Ｂの大きさが所定の閾値以上の場合には吐出作業を中断して液室１０２ａから気泡Ｂを排出させるメンテナンス作業を行うようにすることができる。
【００４７】
本実施の形態に係る液滴吐出装置１００によれば、不具合の発生を未然に防止したり、生産性を向上させたりすることができる。
【００４８】
[第２の実施形態]
図５は、第２の実施形態に係る異物検出装置および液滴吐出装置を例示するための模式図である。
図５に例示をした液滴吐出装置１００ａも圧電型の液滴吐出装置である。
液滴吐出装置１００ａには、圧電部１０１、ノズル本体１０２、可撓性膜１０３、ノズル部１０４、減衰部１０５、カバー１０６、異物検出装置１ａが設けられている。
本実施の形態においては、圧電部１０１は液体を吐出させるための加圧源となるが、異物検出装置１ａの発信部としての機能をも有している。ただし、前述した液滴吐出装置１００とは異なり、異物検出装置１ａの受信部としての機能は有していない。
【００４９】
異物検出装置１ａには、信号発生部２、格納部４、検出部５、受信部６が設けられている。
前述した異物検出装置１の場合には、圧電部１０１を異物検出装置１の発信部および受信部とし、切換部３により電気信号の切り替えを行うようにしている。
これに対して、異物検出装置１ａの場合には、受信部６を別途設けるようにしているので切換部３が不要となる。
【００５０】
受信部６は、例えば、圧電部１０１と同様に圧電材料から形成された部材と駆動電極とを有するものとすることができる。ただし、これに限定されるわけではなく機械的な変位に応じた電気信号を発生させることができるものを適宜選択することができる。
【００５１】
異物検出装置１ａにおいては、発生した反射波を受信部６により受信し、受信部６により電気信号に変換する。
この反射波に基づく電気信号は、検出部５に入力され、前述したものと同様にして気泡Ｂの有無や気泡Ｂの大きさが検出される。
なお、気泡Ｂの有無の検出や気泡Ｂの大きさの検出は前述したものと同様とすることができるので詳細な説明は省略する。
【００５２】
本実施の形態に係る異物検出装置１ａによれば、前述した異物検出装置１と同様の効果を享受することができる。また、切換部３を省略できる点に関して構成の簡素化を図ることができる。
なお、液滴吐出装置１００ａの作用は、前述した液滴吐出装置１００の場合と同様とすることができるので詳細な説明は省略する。
【００５３】
以上に例示をしたものは、圧電部１０１と異物検出装置１の発信部および受信部とを兼用とした場合、圧電部１０１と異物検出装置１ａの発信部とを兼用とした場合であるがこれに限定されるわけではない。例えば、圧電部１０１と異物検出装置の受信部とを兼用とすることもできる。また、圧電部１０１と異物検出装置の発信部および受信部とをそれぞれ別個に設けるようにすることもできる。なお、サーマル型の液滴吐出装置の場合は、異物検出装置の受信部を設けるようにするだけでもよい。この場合、受信部としては前述したもののような圧電部とすることが好ましい。
【００５４】
[第３の実施形態]
次に、第３の実施形態に係る異物検出方法について例示する。
図６は、第３の実施形態に係る異物検出方法を例示するためのフローチャートである。 ここでは、一例として、異物が気泡Ｂである場合を例に挙げて説明する。
まず、所定の周波数ｆを有する圧力波を液体に導入する（ステップＳ１）。
この場合、周波数ｆは（３）式を満足するものとすることができる。またさらに、（４）式をも満足するものとすることができる。
また、周波数のレンジに応じて複数の信号発生部と、周波数レンジの切換部とが設けられている場合には、適切な周波数ｆを有する電気信号を発生させることができるように周波数レンジの切り換えが行われる。
【００５５】
次に、液体からの反射波を電気信号に変換する（ステップＳ２）。
次に、反射波を変換した電気信号と、気泡Ｂが含まれていない場合の電気信号との差を求めることで気泡Ｂに関する情報を抽出する（ステップＳ３）。
次に、抽出された気泡Ｂに関する情報に基づいて気泡Ｂの有無および気泡Ｂの大きさの少なくともいずれかを求める（ステップＳ４）。
この際、気泡Ｂの大きさは前述したものと同様にして求めるようにすることができる。例えば、気泡Ｂに関する情報が含まれた電気信号と、気泡Ｂが含まれていない状態に関する情報と、の差の２乗に基づいて異物の大きさを検出するようにすることができる。
また、例えば、（１）式、（２）式により散乱断面積σｓｃを求め、予め求められた気泡Ｂの半径寸法と散乱断面積σｓｃの関係（例えば、図４を参照）から気泡Ｂの半径寸法を求めるようにすることができる。
なお、各ステップにおける内容は、前述したものと同様とすることができるので詳細な説明は省略する。
また、気泡Ｂの有無を求める場合を例示したが、ゴミなどの固体の異物の有無も求めることができる。
また、気泡Ｂの大きさを求める場合を例示したが、圧力変化により体積変化が生じるような異物の大きさを求めることができる。
【００５６】
本実施の形態に係る異物検出方法によれば、液室１０２ａなどのような小さな領域であっても気泡Ｂなどの異物を精度良く検出することができる。また、高い精度で気泡Ｂなどの異物の大きさを求めることができるので、不具合の未然防止や生産性の向上をさらに高い確度で実現することができる。
【００５７】
[第４の実施形態]
次に、第４の実施形態に係る液滴吐出方法について例示する。
図６は、第４の実施形態に係る液滴吐出方法を例示するためのフローチャートである。 ここでは、一例として、異物が気泡Ｂである場合を例に挙げて説明する。
まず、所定の圧力を液体に加え、ノズル孔から液体を液滴として吐出させる（ステップＳ１１）。
次に、前述した異物検出方法を用いて気泡Ｂの有無および気泡Ｂの大きさの少なくともいずれかを求める（ステップＳ１２）。
この場合、例えば、逐次または定期的に異物検出方法を実行することができる。
【００５８】
所定の閾値より大きな気泡Ｂが有る場合には、吐出作業を中断して液体中から気泡Ｂを排出させるメンテナンス作業を行うようにすることができる。
この場合、気泡Ｂの大きさが所定の閾値未満の場合には吐出作業を続行し、気泡Ｂの大きさが所定の閾値以上の場合には吐出作業を中断して液体中から気泡Ｂを排出させるメンテナンス作業を行うようにすることもできる。
本実施の形態に係る液滴吐出方法によれば、不具合の発生を未然に防止したり、生産性を向上させたりすることができる。
【００５９】
以上に例示をした実施形態によれば、異物を精度良く検出することができる異物検出装置、異物検出方法、液滴吐出装置、および液滴吐出方法を実現することができる。
以上、本発明のいくつかの実施形態を例示したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。これら実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。
【００６０】
例えば、異物検出装置１、異物検出装置１ａ、液滴吐出装置１００、液滴吐出装置１００ａなどが備える各要素の形状、寸法、材質、配置、数などは、例示をしたものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。
【符号の説明】
【００６１】
１ 異物検出装置、１ａ 異物検出装置、２ 信号発生部、３ 切換部、４ 格納部、５ 検出部、６ 受信部、１００ 液滴吐出装置、１００ａ 液滴吐出装置、１０１ 圧電部、１０２ ノズル本体、１０２ａ 液室、１０３ 可撓性膜、１０４ ノズル部、Ｂ 気泡
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気信号を発生させる信号発生部と、
前記電気信号を変換して液体中に圧力波を発生させる発信部と、
前記液体からの反射波を受信して電気信号に変換する受信部と、
前記液体に異物が含まれていない状態に関する情報を格納する格納部と、
前記反射波を変換した電気信号と、前記格納された情報に基づく電気信号と、の差に基づいて前記異物の有無および前記異物の大きさの少なくともいずれかを検出する検出部と、
を備えたことを特徴とする異物検出装置。
【請求項２】
前記検出部は、前記反射波を変換した電気信号と、前記格納された情報に基づく電気信号と、の差の２乗に基づいて前記異物の大きさを検出することを特徴とする請求項１記載の異物検出装置。
【請求項３】
前記信号発生部は、下記の式を満足する周波数を有した前記電気信号を発生させることを特徴とする請求項１または２に記載の異物検出装置。
【数６】
ここで、ｆは周波数、Ｒｏは最大気泡サイズ、Ｐｏは液体の平衡圧力、ρは液体の密度、γは比熱比である。
【請求項４】
前記液体を収納する収納部をさらに備え、
前記収納部の等価直径寸法が以下の式を満足することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の異物検出装置。
【数７】
ここで、ｆは周波数、ｄは収納部の等価直径寸法である。
【請求項５】
液室を有するノズル本体と、
前記ノズル本体に設けられた前記液室内の液体に圧力を加える加圧部と、
前記ノズル本体に設けられたノズル孔を有したノズル部と、
請求項１〜３のいずれか１つに記載の異物検出装置と、
を備えたことを特徴とする液滴吐出装置。
【請求項６】
前記加圧部は、圧電材料を含み、前記異物検出装置に設けられた発信部および受信部の少なくともいずれかと兼用されたことを特徴とする請求項５記載の液滴吐出装置。
【請求項７】
前記液室の等価直径寸法が以下の式を満足することを特徴とする請求項５または６に記載の液滴吐出装置。
【数８】
ここで、ｄは液室の等価直径寸法、ｆは周波数である。
【請求項８】
所定の周波数を有する圧力波を液体に導入する工程と、
前記液体からの反射波を電気信号に変換する工程と、
前記反射波を変換した電気信号と、異物が含まれていない場合の電気信号と、の差を求めることで異物に関する情報を抽出する工程と、
前記抽出された異物に関する情報に基づいて、前記異物の有無および前記異物の大きさの少なくともいずれかを求める工程と、
を備えたことを特徴とする異物検出方法。
【請求項９】
前記異物の大きさを求める場合に、前記反射波を変換した電気信号と、前記異物がない場合の電気信号と、の差の２乗に基づいて前記異物の大きさを求めることを特徴とする請求項８記載の異物検出方法。
【請求項１０】
前記圧力波を液体に導入する工程において、下記の式を満足する周波数を有した前記圧力波を液体に導入することを特徴とする請求項８または９に記載の異物検出方法。
【数９】
ここで、ｆは周波数、Ｒｏは最大気泡サイズ、Ｐｏは液体の平衡圧力、ρは液体の密度、γは比熱比である。
【請求項１１】
前記圧力波を液体に導入する工程において、下記の式を満足する周波数を有した前記圧力波を液体に導入することを特徴とする請求項１０記載の異物検出方法。
【数１０】
ここで、ｆは周波数、ｄは液体が収納された要素の等価直径寸法である。
【請求項１２】
所定の圧力を液体に加え、ノズル孔から液体を液滴として吐出させる工程と、
請求項８〜１１のいずれか１つに記載の異物検出方法を用いて、異物の有無および異物の大きさの少なくともいずれかを求める工程と、
を備えたことを特徴とする液滴吐出方法。
【請求項１】
電気信号を発生させる信号発生部と、
前記電気信号を変換して液体中に圧力波を発生させる発信部と、
前記液体からの反射波を受信して電気信号に変換する受信部と、
前記液体に異物が含まれていない状態に関する情報を格納する格納部と、
前記反射波を変換した電気信号と、前記格納された情報に基づく電気信号と、の差に基づいて前記異物の有無および前記異物の大きさの少なくともいずれかを検出する検出部と、
を備えたことを特徴とする異物検出装置。
【請求項２】
前記検出部は、前記反射波を変換した電気信号と、前記格納された情報に基づく電気信号と、の差の２乗に基づいて前記異物の大きさを検出することを特徴とする請求項１記載の異物検出装置。
【請求項３】
前記信号発生部は、下記の式を満足する周波数を有した前記電気信号を発生させることを特徴とする請求項１または２に記載の異物検出装置。
【数６】
ここで、ｆは周波数、Ｒｏは最大気泡サイズ、Ｐｏは液体の平衡圧力、ρは液体の密度、γは比熱比である。
【請求項４】
前記液体を収納する収納部をさらに備え、
前記収納部の等価直径寸法が以下の式を満足することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の異物検出装置。
【数７】
ここで、ｆは周波数、ｄは収納部の等価直径寸法である。
【請求項５】
液室を有するノズル本体と、
前記ノズル本体に設けられた前記液室内の液体に圧力を加える加圧部と、
前記ノズル本体に設けられたノズル孔を有したノズル部と、
請求項１〜３のいずれか１つに記載の異物検出装置と、
を備えたことを特徴とする液滴吐出装置。
【請求項６】
前記加圧部は、圧電材料を含み、前記異物検出装置に設けられた発信部および受信部の少なくともいずれかと兼用されたことを特徴とする請求項５記載の液滴吐出装置。
【請求項７】
前記液室の等価直径寸法が以下の式を満足することを特徴とする請求項５または６に記載の液滴吐出装置。
【数８】
ここで、ｄは液室の等価直径寸法、ｆは周波数である。
【請求項８】
所定の周波数を有する圧力波を液体に導入する工程と、
前記液体からの反射波を電気信号に変換する工程と、
前記反射波を変換した電気信号と、異物が含まれていない場合の電気信号と、の差を求めることで異物に関する情報を抽出する工程と、
前記抽出された異物に関する情報に基づいて、前記異物の有無および前記異物の大きさの少なくともいずれかを求める工程と、
を備えたことを特徴とする異物検出方法。
【請求項９】
前記異物の大きさを求める場合に、前記反射波を変換した電気信号と、前記異物がない場合の電気信号と、の差の２乗に基づいて前記異物の大きさを求めることを特徴とする請求項８記載の異物検出方法。
【請求項１０】
前記圧力波を液体に導入する工程において、下記の式を満足する周波数を有した前記圧力波を液体に導入することを特徴とする請求項８または９に記載の異物検出方法。
【数９】
ここで、ｆは周波数、Ｒｏは最大気泡サイズ、Ｐｏは液体の平衡圧力、ρは液体の密度、γは比熱比である。
【請求項１１】
前記圧力波を液体に導入する工程において、下記の式を満足する周波数を有した前記圧力波を液体に導入することを特徴とする請求項１０記載の異物検出方法。
【数１０】
ここで、ｆは周波数、ｄは液体が収納された要素の等価直径寸法である。
【請求項１２】
所定の圧力を液体に加え、ノズル孔から液体を液滴として吐出させる工程と、
請求項８〜１１のいずれか１つに記載の異物検出方法を用いて、異物の有無および異物の大きさの少なくともいずれかを求める工程と、
を備えたことを特徴とする液滴吐出方法。
【図１】
【図２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図３】
【図２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−１３７４６８（Ｐ２０１２−１３７４６８Ａ）
【公開日】平成２４年７月１９日（２０１２．７．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３９５４０（Ｐ２０１１−３９５４０）
【出願日】平成２３年２月２５日（２０１１．２．２５）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月１９日（２０１２．７．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２５日（２０１１．２．２５）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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