JP3703418B2

JP3703418B2 - Method and apparatus for measuring flying object position

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Publication number: JP3703418B2
Application number: JP2001307623A
Authority: JP
Inventors: 良浩上原; 康信室伏
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Priority date: 2001-10-03
Filing date: 2001-10-03
Publication date: 2005-10-05
Anticipated expiration: 2021-10-03
Also published as: JP2003114104A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微小液体、微小固体等の飛翔物体の飛翔位置を測定する方法及び装置、特に、液体吐出記録装置に用いられる液体吐出記録ヘッドの検査に好適な飛翔物体位置測定方法及び装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より液体吐出記録ヘッド（以下、記録ヘッドという）の吐出口から液滴を吐出し、紙やＯＨＰシート等の記録媒体に着弾させることで画像を形成する液体吐出記録装置が知られている。液体吐出記録装置においては、高精細且つ高画質化が要求され、吐出された液滴の着弾位置にばらつきがあると、濃度むらやカラー画像における色調ずれ等の影響を及ぼし、高精細且つ高画質化の妨げとなる。こうした問題の発生を防止するため、製造された記録ヘッドの液滴吐出特性の検査項目の１つとして吐出液滴の着弾位置測定を行っている。
【０００３】
このような着弾位置測定方法としては、例えば、特開平７−３２９３０２号公報に記載されているように記録媒体に所定の検査パターンを印字し、その印字パターンを目視か、あるいは撮像及び画像処理を行うことで液滴着弾の検査を行う方法が知られている。また、特開２０００−６２１５８に記載されているように記録ヘッドの吐出口から少なくとも１個の液滴を吐出させ、吐出口面から離間して位置する紙等の記録媒体に着弾させ、吐出口及び記録媒体に着弾した液滴を、記録媒体下方に配置された画像処理用カメラにより認識して画像処理することによりそれぞれの座標を測定し、液滴の着弾位置と吐出口の位置とを測定する方法がある。
【０００４】
更に、特開２０００−２８０４６１で提案されているようにレーザ光を受光素子に出射させておき、レーザ光の光軸に向けて液滴を吐出し、液滴を光学的に検出することで着弾位置を求める方法も知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平７−３２９３０２号公報や特開２０００−６２１５８に記載されているように記録媒体上に液滴を実際に着弾させる事で着弾位置を観察、測定する方法では、着弾時における液滴のはじきや広がり、あるいは滲みにより液滴の着弾位置を測定できる精度に限界があった。
【０００６】
また、特開２０００−２８０４６１で提案されている方法では、液滴が飛翔中に液滴の飛翔位置を検出するもので、液滴の着弾による液滴のはじき、広がり、滲み等の問題はなく、所望の着弾位置に液滴が着弾しているかどうかの判断は可能である。しかし、液滴の着弾位置が所望の着弾位置からどれだけずれているのかは、受光素子の大きさ以下の精度で測定することができなかった。また、特開２０００−２８０４６１の方法では、１方向の着弾位置しかわからなかった。
【０００７】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたもので、その目的は、飛翔物体の到達位置をより正確に測定できる飛翔物体位置測定方法及び装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、測定する飛翔物体の到達位置に相当する既知の平面にシート状に整形された光束を出射し、該光束を横切るように吐出口から飛翔物体を吐出し、前記飛翔物体が光束に当たる際に発生する光を、前記飛翔物体が前記光束と交差した位置における前記光束の進行ベクトルと撮像部の入射光軸とを含む平面が、前記既知の平面と垂直になるように配置された撮像部で撮像し、撮像した画像から前記光束の進行ベクトルと撮像部の入射光軸を含む平面に垂直な方向の座標成分を算出することにより、前記飛翔物体の到達面における到達位置を測定することを特徴とする飛翔物体位置測定方法によって達成される。
【０００９】
また、本発明の目的は、測定する飛翔物体の到達位置に相当する既知の平面にシート状に整形された光束を出射する手段と、出射した前記光束を横切るように吐出口から飛翔物体を吐出し、前記飛翔物体が前記光束と交差した位置における前記光束の進行ベクトルと撮像部の入射光軸とを含む平面が、前記既知の平面と垂直になるように配置され、前記飛翔物体が前記光束に当たる際に発生する光を撮像する手段と、撮像した画像から前記光束の進行ベクトルと前記撮像手段の入射光軸を含む平面に垂直な方向の座標成分を算出することにより、前記飛翔物体の到達面における到達位置を測定する手段とを備えたことを特徴とする飛翔物体位置測定装置によって達成される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。まず、本発明の原理について説明する。なお、以下の説明では、飛翔物体として液体吐出記録ヘッドから吐出される液滴を例として説明する。
【００１１】
本願発明者等の研究によれば、水平に位置する光束と飛翔する液滴とが交差する際に発する光を光束斜め下方から撮像すると、撮像部に入射する光は液滴全体の形状は示さず、液滴の一部から発せられた光のみが捉えられることを見い出した。図１（ａ）〜（ｃ）はそれを説明する図である。図１（ａ）、（ｂ）は光束３ａ中を液滴２が横切る際に発する光を撮像部４ａで捉える際の位置関係の一例を示す図である。図１（ａ）は側面から見た図、図１（ｂ）は上面から見た図である。光束３ａは水平（ｘｙ面に平行）、液滴はｚ軸に平行に飛翔し、撮像部４ａの光軸と光束３ａの光軸を含む平面がｙｚ面に平行に位置する。また、撮像部４ａは光束３ａの斜め下方に位置する。この位置関係で光束中に液滴２が存在する時に撮像される画像を模式的に図１（ｃ）に示す。
【００１２】
図１（ｃ）には液滴２の外形が描かれているが、この液滴の外形は全方位から照明したと仮定した場合に見える像である。しかし、ここでは１方向からのみ光束を当てている場合を想定しているので、図１（ｃ）のような液滴中央断面の外形は見えない。撮影されるのは、液滴の一部より発せられる入射光画像１５のみである。この入射光画像１５と液滴外形とは、Ｙ軸に平行な軸に対して対称で、その対称軸は一致する。
【００１３】
よって、撮像される入射光画像１５を画像処理しその対称軸のＸ方向成分を算出することで、液滴が光束と交差した位置における液滴中心のｘ方向の位置を決定できる。この位置精度は取得画像の解像度によるが、撮像部にレンズ倍率を高いものを用い入射光画像１５を拡大し、重心計算等の画像処理を施してｘ方向の位置を決定すれば、従来例では不可能であった受光素子の大きさ以下の精度、液滴外径の１０分の１以下の位置精度まで測定可能である。
【００１４】
このように本発明においては、液滴が光束と交差した位置における、光束の進行ベクトルと撮像部の入射光軸を含む平面に垂直な方向の成分を液滴径以下の高精度で測定できる。また、従来例とは異なり液滴が飛翔している間に計測を行うので、従来例で生じていた記録媒体に着弾させることによる、液滴着弾時の液滴のはじきや広がり、記録媒体上での滲みといった誤差も生じず、高精度な測定が可能である。
【００１５】
次に、このような原理をふまえて本発明の実施の形態について説明する。
【００１６】
（第１の実施形態）
図２は本発明の飛翔物体位置測定装置の第１の実施形態を示す図である。図１において、１は液滴を吐出することにより画像を形成する液体吐出記録ヘッド（以下、記録ヘッド）である。本実施形態では、記録ヘッド１から吐出される液滴の到達面における到達位置を測定する場合を例として説明する。記録ヘッド１は鉛直方向下向きに液滴２を吐出するようにステージコンポーネントに設置され、所望の位置に調整することが可能である。
【００１７】
具体的には、記録ヘッド１はｘｙステージ１０、ｚステージ１１により３次元的に移動可能である。ｘｙステージ１０は記録ヘッド１を図１の紙面に対して横方向及び奥行方向に移動させてｘｙ面の位置を調節する。ｚステージ１１は記録ヘッド１をｚ方向（紙面の上下方向）に移動させてｚ方向の位置を調節する。ｘｙステージ１０及びｚステージ１１の位置分解能は０．１μｍである。また、記録ヘッド１は回転用機構部１３とあおり（チルト）用機構部１２によって回転方向及び高さの平行度を０．１μｍの精度で位置決め可能である。即ち、あおり用機構部１２で記録ヘッド１のｘｙ面の水平度調節を行い、回転用機構部１３で記録ヘッド１のｘｙ面での角度調整を行う。これらのステージ等の稼動コンポーネントはすべて電動モータ（図示せず）を持っていて、外部からの制御によって動作する。
【００１８】
次に、記録ヘッド１の位置決め方法について説明する。記録ヘッド１を位置決めするには、まず、ｚ方向の平行度を調整する。その際、測定域下部に配置している精度０．１μｍ以下のレーザ変位計９が用いられる。このレーザ変位計９により記録ヘッド１の下面の所定の３点とレーザ変位計９までの３点の距離を測長し、その長さが一致するようにあおり（チルト）用機構部１２を用いて平行度を調節する。次いで、記録ヘッド１の吐出口下面のｚ方向位置がｚ原点に位置するようにｚステージ１１を動作させる。ｚ原点はレーザ変位計９の出力が０となる位置としている。そこで、レーザ変位計９により記録ヘッド１の吐出口下面とレーザ変位計９までの距離を測長し、レーザ変位計９が出力が０となるようにｚステージ１１を動作させる。以上により、記録ヘッド１のｚ方向の平行度の調整を終了する。
【００１９】
次いで、ＣＣＤカメラ６ａ，６ｂで記録ヘッド１の吐出口を撮像し、前もって決めた任意のモニタ上の原点の位置に吐出口が位置するようにｘｙステージ１０をマニュアル操作で動作させる。なお、ｚ原点で焦点が合うように撮像部４ａ，４ｂ、ＣＣＤカメラ６ａ，６ｂは位置合わせされている。ここで、記録ヘッド１の吐出口は複数並んで形成されており、吐出口の並び方向をｘｙステージ１０のどちらか一方の送り方向（図１の紙面に対して横方向又は奥行方向）、あるいはシート光３ａ，３ｂの進行方向に一致させる。そして、ｘｙステージ１０で以上のいずれかの方向に記録ヘッド１を移動させつつモニタ上で吐出口の位置を確認し、複数の吐出口の位置がｘｙステージ１０の送り方向と直交する方向にずれないように回転用機構部１３を用いて記録ヘッド１のθ方向（ｘｙ面での記録ヘッドの回転方向）を調整する。
【００２０】
次に、モニタ上で測定対象の吐出口を原点近くに寄せたら画像処理による原点アライメント制御により、原点と吐出口中心点を０．１μｍ以下の精度でアライメントする。以上の操作により、記録ヘッド１の吐出口の位置をｘ，ｙ，ｚ，θ方向において０．１μｍ以下の精度で位置決めできる。また、ｚステージ１１を動作させて記録ヘッド１をｚ方向に規定の長さ上昇させる。この長さが記録ヘッド１の吐出面と測定面（液滴の到達面）との長さに相当し、本実施形態では１．２ｍｍとしている。ここで、本実施形態では、液滴の飛翔位置を測定する装置であるが、シート光３ａ，３ｂの中心軸をなす平面を到達平面とみなし、液滴の到達位置を測定する。従って、本実施形態による測定値は記録ヘッド１の吐出口中心に対する液滴の到達位置のずれ量を示し、到達面と記録ヘッド１の吐出口面の距離も既知であるので、液滴の飛翔方向も算出できる。
【００２１】
また、本実施形態では、２つのシート状の光束３ａ，３ｂを用いている。即ちｚ＝０の水平面には、２本の幅４ｍｍ、最小厚さ１０μｍのシート状のレーザ光３ａ，３ｂが互いに直交するようにレイアウトされている。シート光３ａ，３ｂはその進行方向中心軸の交点中心と、モニタ上の原点の位置が一致するように組立時に位置調整されている。シート光３ａ，３ｂの光源であるレーザ７としてはＣＣＤカメラ６ａ，６ｂとの相性が良く、短波長なため位置測定計測をする上で精度的にも有利な波長５３２ｎｍのＹＡＧ２倍高調波の連続発光型グリーンレーザを用いている。レーザ７の出力は５００ｍＷである。
【００２２】
レーザ７のレーザ光はファイバーケーブル２２により２方向に分岐され、分岐された光はそれぞれシート光整形用光学系８によりシート状の光束３ａ，３ｂに整形され、互いに直交するように出射される。光束をシート状に整形すると、光束のｚ方向厚さが薄い程、光束中心軸をｚ＝０の位置に位置合わせしやすい、光束をシート状にした方が光束のエネルギー密度が増し液滴が光束に当たりそこから出射される光も強くなるので、コントラストの良い画像を取得できる、等の利点がある。
【００２３】
このように液滴がシート光３ａ，３ｂの交点中心に向けて吐出され、シート光を通過する際に発生する散乱光を２つの撮像部４ａ，４ｂのＣＣＤカメラ６ａ，６ｂで撮像する。ＣＣＤカメラ６ａ，６ｂには撮像光学系５ａ，５ｂが取り付けられており、撮像対象を１０倍に拡大して撮像する。また、撮像部４ａの光軸のｘｙ面への投影軸がシート光３ａの中心軸と一致し、撮像部４ａの光軸とシート光３ａの中心軸のなす角度が４５度になるように、且つ、撮像部４ｂの光軸のｘｙ面への投影軸がシート光３ｂの中心軸と一致し、撮像部４ｂの光軸とシート光３ｂの中心軸のなす角度が４５度になるように２つの撮像部４ａ，４ｂは配置されている。
【００２４】
なお、撮像部４ａ（４ｂ）の光軸のｘｙ面への投影軸上に、３ａ（３ｂ（４ｂに対応））の進行ベクトルがあれば測定は十分できる。ただ光束は中心に近いほどエネルギー密度が高い。よって、上記のようにすれば、液適から出射される光量をより多くすることができる。
【００２５】
撮像部４ａ，４ｂには偏光板１４ａ，１４ｂが取り付けられ、シート光整形用光学系８内には１／２波長板が設置されている。吐出された液滴をＣＣＤカメラ６ａ，６ｂで撮像しつつ偏光板１４ａ，１４ｂと１／２波長板の回転方向位置を調整し、シート光３ａからの光がＣＣＤカメラ６ａに、シート光３ｂからの光がＣＣＤカメラ６ｂに入射するようにし、シート光３ａからの光は偏光板３ｂでカットし、シート光３ｂからの光は偏光板３ａでカットするようにする。なお、１／２波長板がなくても適切に偏光板１４ａ，１４ｂの透過軸を調整すれば、ＣＣＤカメラ６ａに入射する光のうちシート光３ａからの光がシート光３ｂからの光よりも多く、ＣＣＤカメラ６ｂに入射する光のうちシート光３ｂからの光がシート光３ａからの光よりも多くすることができる。この場合、画像処理での処理、例えば両入射光の輝度値の違いで、２つの入射光を分離できる。なお、偏光板の代わりに偏光ビームスプリッターを利用しても良い。
【００２６】
ここで、ある特定の進行方向を持つ１つの光束が液滴に当たる場合、液滴から発せられる光の方向は、液滴面が曲面であることから多方面にわたる。そのため複数の光束が１つの液滴に当たる場合、光束の進行方向は互いに異なっていてもその液滴から発せられる光が、同じ１つの撮像部に入射する可能性がある。すると、そうした複数の光束からもたらされる入射光が区別されることなく、１つの画像が得られることになる。
【００２７】
一方、上記方法で液滴位置を特定するには、光束の進行が既知であることと、その光束が液滴に当たり液滴から発する光を他からもたらされる光と区別して認識できなければならない。よって、取得画像で得られる入射光画像が複数の光束からもたらされる入射光により形成されたもので、更にそれが各光束からの入射光別に分離判断しにくい場合は、画像から液滴座標を求める際に大きな誤差が生じる可能性がある。そこで、撮像部の光軸上に偏光板等の特定の偏光方向のみの光を透過する光学素子を配置すれば、入射する光の偏光状態の違いにより不要な光をカットすることができる。
【００２８】
本実施形態では、記録ヘッド１の吐出周波数を１００Ｈｚ、ＣＣＤカメラ６ａ，６ｂの取込み周波数を１０Ｈｚで駆動する。ＣＣＤカメラ６ａ，６ｂの露光時間及びその開始タイミングは、外部から入力する信号の信号ＯＮ時間と信号がＯＮに切り替わるタイミングで制御している。本実施形態では、１回の撮影における露光時間を１００μｓとし、記録ヘッド１の駆動信号は図示しない間引き回路と遅延器を経由してＣＣＤカメラ６ａ，６ｂに入力する。間引き回路で、周波数１００Ｈｚの信号から１０Ｈｚの信号が取り出され、１回の撮影で１滴の液滴を撮影するように遅延器でＣＣＤカメラ６ａ，６ｂに入力する信号のタイミングを調節している。
【００２９】
また、液滴としてプリンタのインクとして用いられているシアンインクを用い、吐出される液滴の外径は２０μｍ前後である。このようにして記録ヘッド１から吐出された液滴をＣＣＤカメラ６ａ，６ｂで撮像する。ＣＣＤカメラ６ａにより撮像された液滴の画像を図３に示す。また、図４は得られる液滴座標を説明するためのｚ方向から見た概略図を示す。
【００３０】
ここで、図３において液滴はＺ軸に平行な軸に対して対称である。これは、撮像部４ａの光軸とシート光３ａの中心軸を含む平面が液滴の飛翔する方向ｚ軸方向と概略平行であるためである。また、ＣＣＤカメラ６ａに入射する光は、シート光３ａからのものであり、シート光３ｂからの光は偏光板１４ａによりカットされているためである。そこで、前述のように撮影された液滴の対称軸のＸ方向位置と、図４における被撮影物である液滴のｘ方向位置とは一致するので、モニタ原点に対する液滴画像の重心を計算し、重心位置のＸ座標値を液滴２のｘ方向位置とする。同様に、ＣＣＤカメラ６ｂで撮影した画像から液滴２のｙ方向位置を決定する。
【００３１】
これらの計算処理は図示しない演算処理部（マイクロコンピュータ）で行う。本実施形態では、撮像した画像の分解能は０．６μｍであり、重心計算を施していることから計測誤差は１画素分以下と考えてよい。つまり、液滴の外径の１０分の１以下の精度で液滴の位置を測定できる。なお、画像上の２次元座標を実空間上での位置座標に変換し、液滴２の到達面における位置を決定する。また、本実施形態では、前述のように記録ヘッド１の吐出口中心点をｘｙ面における原点としており、その位置決め精度を０．１μｍとしている。よって、吐出口に対する液滴の着弾位置が０．１μｍ精度で計測できる。更に、測定ｘｙ面と記録ヘッド１の吐出口面との距離もわかっているので、着弾位置だけではなく液滴の飛翔方向もわかる。
【００３２】
なお、液滴がｘｙ平面に対して斜めに飛翔する場合、シート光の厚さがある分、取得される入射光画像も斜めになるが、液滴の重心座標の各Ｘ，Ｙ座標はｚ＝０のｘｙ平面での飛翔液滴の中心位置ｘ，ｙに対応しているので、上記の方法で処理すれば精度上問題なく計測値を算出できる。更に、本実施形態では、シート光３ａと撮像部４ａ、シート光３ｂと撮像部４ｂの２つの組み合わせで液滴座標を求めたが、シート光１つと撮像部１つの場合でも液滴の座標を得ることは可能である。この場合、シート光は１つなので、別のシート光が液滴に当たり発する光をカットする必要もない。そのため、偏光板や１／２波長板は必要ない。また、これまで説明した方法により高さ方向ｚと、シート光の進行ベクトル及び撮像部の光軸に直交する方向の座標値を決定できる。
【００３３】
更に、残りの一軸（図１（ｃ）のＹ軸）を決定したい場合は、図３の入射光画像のＺ方向位置から算出する。即ち、図１（ｃ）に示すように入射光画像１５の重心と全方位から照明したと仮定した場合に見える液滴外形像（図４では見えない）の重心とは、両者のＺ方向座標が異なる。しかし、計測対象である液滴の外形が既知であれば、入射光画像１５の光が液滴のどの位置からもたらされたものかを計算できるので、入射光画像１５の重心のＺ座標値から、液滴のシート光進行方向の位置を特定することは可能である。
【００３４】
また、本実施形態の装置構成は、液滴にシート光が当たり、透過屈折した光が撮像部に入射するようになっているが、シート光３ａ，３ｂの進行方向がそれぞれ逆になるような配置をとっても良い。この場合、液滴にシート光が当たり反射した光を撮像することになる。特に、液滴が顔料インクの場合、光は透過しないので、反射光を撮像する構成でなければならない。
【００３５】
（第２の実施形態）
図５は本発明の飛翔物体位置測定装置の第２の実施形態を示す図である。第１の実施形態との違いは、２つの異なる波長のレーザ７ａと７ｂを用いている点、ファイバーケーブルは用いずレーザ７ａ，７ｂから出射されたレーザ光をシート光整形用光学系８に直接入射する点、偏光板１４ａ，１４ｂの代わりにバンドパスフィルタ１６ａ，１６ｂを用いている点である。その他の構成は、図２と同様である。
【００３６】
レーザ７ａは波長５３２ｎｍのＹＡＧ２倍高調波のＣＷグリーンレーザで出力は２００ｍＷ、レーザ７ｂは波長４８８ｎｍのＣＷ空冷Ａｒレーザで出力は１００ｍＷである。両レーザから出力されたレーザ光はシート光整形用光学系８に入射し、第１の実施形態と同様に幅４ｍｍ、最小厚さ１０μｍのシート状のレーザ光３ａ，３ｂに整形され、互いに直交するように出射される。なお、第１の実施形態とは異なり、シート光整形用光学系８には１／２波長板は必ずしも含んでいなくてもよい。
【００３７】
撮像部４ａ，４ｂには、それぞれバンドパスフィルタ１６ａ，１６ｂが設置されている。バンドパスフィルタ１６ａは、波長５３２ｎｍの光を透過し、波長４８８ｎｍの光は透過しない。また、バンドパスフィルタ１６ｂは、波長４８８ｎｍの光を透過し、波長５３２ｎｍの光は透過しない。これにより、撮像部４ａにはシート光３ａからの光が、撮像部４ｂにはシート光３ｂからの光のみ入射する構成である。
【００３８】
また、吐出する液滴としてはプリンタのインクとして用いられているシアンインクとし、この装置構成で液滴を吐出させたところ撮像された画像は図３と同様であった。従って、第１の実施形態と同様に両ＣＣＤカメラで撮像される画像から、撮像部の光軸とシート光の中心軸を含む平面に垂直方向の液滴位置座標を算出でき、液滴の着弾位置を測定できる。
【００３９】
（第３の実施形態）
図６は本発明の第３の実施形態を示す図である。第２の実施形態との違いは、撮像部の２つの光軸がミラー１８と三角プリズム１９で折り曲げられ、同一のＣＣＤカメラ６の撮像面に結像する構成になっている点である。この構成により、使用するＣＣＤカメラは１つで済むため、取得する画像の数とデータ容量が半分になるという利点がある。また、コストも低減できる。
【００４０】
撮像部５は、１０倍の顕微鏡レンズ１７とバンドパスフィルタ１６ａ，１６ｂ、ミラー１８と三角プリズム１９を内包する構造になっている。図６において撮像部５の左側の光軸は、ＣＣＤカメラ６の撮像面の左端面から受光部サイズの１／４の長さだけ内側に入った位置に、撮像部５の右側の光軸は、ＣＣＤカメラ６の撮像面の右端面から受光部サイズの１／４の長さだけ内側に入った位置にそれぞれ結像するように位置調整されている。第１の実施形態で説明した画像原点も結像位置に対応したモニタ上の位置に決められる。
【００４１】
バンドパスフィルタ１６ａは第２の実施形態と同様に波長５３２ｎｍの光を透過し、波長４８８ｎｍの光は透過しない。バンドパスフィルタ１６ｂは、波長４８８ｎｍの光を透過し、波長５３２ｎｍの光は透過しない機能を持つ。その他の構成は図５と同様である。
【００４２】
ここで、シート光３ａ，３ｂの進行中心軸を含むｚ＝０の平面に、クロムで正方格子パターンが描画されているガラス基盤を設置し、撮像部５で撮影した画像を図７に示す。図７において、格子の対角線方向がシート光３ａ，３ｂの進行方向に一致するように設置されており、格子の間隔は２０μｍである。この取得した画像によりキャリブレーションを行う。即ち、取得した画像により画像上の２次元座標を実空間上での位置座標に変換する計算アルゴリズムを決定する。
【００４３】
また、この装置構成で撮像された液滴の撮像例を図８に示す。撮像された液滴は、プリンタのインクとして用いられているシアンインクである。図７の場合も同様であるが、撮像部の構造が原因で飛翔方向が斜めに傾いている。図９は図７の左側取得像を拡大した画像、図１０は図８の左側の入射光像を拡大した画像を示す。空間軸方向ｘ，ｚ方向は、取得した画像では格子の対角線方向Ｘ，Ｚに相当する。入射光画像の中心位置のＸ座標値と液滴中心のｘ座標値は一致するので、撮像した入射光像の重心を計算することで液滴中心のｘ座標を算出でき、同様に右側の撮像画から液滴中心のｙ座標を算出できる。なお、計算アルゴリズムを用いて画像上の２次元座標を実空間上での位置座標に変換し、液滴の到達面での位置を決定する。
【００４４】
（第４の実施形態）
図１１は本発明の第４の実施形態を示す図である。第３の実施形態との違いは撮像デバイスとしてカラーＣＣＤカメラ６´を用いている点、バンドパスフィルタ１６ａ、１６ｂを設置していない点である。
【００４５】
この装置構成では、シート光３ａ，３ｂの光は共に、撮像部５のどちらの光軸とも通り、カラーＣＣＤカメラ６´に入射する。カメラで取得した画像を画像処理し、Ｇ（緑）とＢ（青）の色成分のみの画像を得る。Ｇ（緑）色成分の画像には、緑色であるシート光３ａからの光による像しかうつらない。よって、画像の左側の液適像は、図１０と同様である。この左側の液適画像を第３の実施形態と同様に処理することで、液適の到達面でのｘ座標を決定する。また，Ｂ（青）の色成分の画像には、青色であるシート光３ｂからの光による像しかうつらない。よって、右側の液適画像を第３の実施形態と同様に処理することで、液適の到達面でのｙ座標を決定する。
【００４６】
（第５の実施形態）
図１２は本発明の第５の実施形態を示す図である。第２の実施形態との違いは、撮像デバイスとしてラインセンサカメラ２０ａ，２０ｂを用いている点、撮像部５ａ，５ｂの光軸上にシリンドリカルレンズ２１ａ，２１ｂを設置している点である。ラインセンサカメラ２０ａ，２０ｂは素子並び方向がｘｙ面に平行で素子面が上４５度を向くように設置されている。シリンドリカルレンズ２１ａ，２１ｂはラインセンサカメラの素子並び方向と撮像部の光軸に垂直な方向に入射光を集光させるよう配置されている。その他の構成は図５と同様である。
【００４７】
本実施形態で用いたラインセンサカメラ２０ａ，２０ｂは最大ラインレートが６４ｋＨｚであり、本実施形態における作動モードでは、露光時間及びその開始タイミングは、外部から入力する信号の信号ＯＮ時間と信号がＯＮに切り替わるタイミングで制御される。
【００４８】
記録ヘッド１の駆動信号は、遅延器に経由してラインセンサカメラ２０ａ，２０ｂに入力するようになっており、１回の撮影で１滴の液滴を撮影するように遅延器でＣＣＤカメラに入力する信号のタイミングが調節される。なお、第１の実施形態では記録ヘッド１と遅延器の間に間引き回路を設け、ＣＣＤカメラに入力する信号の周波数を１０Ｈｚに落としたが、本実施形態で使用するラインセンサカメラ２０ａ，２０ｂの最大ラインレートは、現在考えられる記録ヘッドの最高駆動周波数３０ｋＨｚよりも速いので、ラインセンサカメラ２０ａ，２０ｂのラインレートは記録ヘッド１の吐出周波数と同じにしている。
【００４９】
吐出する液滴はプリンタのインクとして用いられているシアンインクとし、記録ヘッド１の駆動周波数を１０ＫＨｚにして液滴を吐出し、撮像された液滴の撮像例を図１３に示す。この場合、シリンドリカルレンズを光軸上に挿入しているため、第１、第２の実施形態とは異なり、２次元ＣＣＤの同一縦ライン上にある光が１つの素子上に集光される。そのため、よりコントラストの高い画像が得られる。取得した画像の入射光画像の中心を画像処理で算出し、ラインセンサカメラ２０ａの取得画像から、液滴中心のｘ方向座標が、ラインセンサカメラ２０ｂの取得画像から、液滴中心のｙ方向座標が得られる。このようにラインセンサカメラを用いることにより、高い吐出周波数で液滴を吐出させた場合でも計測対象の液滴を間引くことなく、ある一定時間の間、全ての液滴に対して着弾位置の計測が可能になる。
【００５０】
以上の実施形態で説明した本発明による方法や装置を用いて記録ヘッドの検査を行うことにより、出荷する記録ヘッドの品質を高いレベルに保証することができる。また、この際、計測したデータを製造工程にフィードバックすれば、より信頼性の高い記録ヘッドを効率良く生産でき、製造コストも低減することができる。更に、本発明による装置をプリンタ等の描画装置内に設けて記録ヘッドの検査機能を付加することも可能である。こうすることにより、より高精度、より高信頼性の描画装置を実現できる。
【００５１】
なお、以上の実施形態では、液体吐出記録ヘッドの液滴の飛翔位置を計測する場合を例として説明したが、本発明はこれに限ることなく、微小液体、微小固体等の飛翔位置の測定にも使用することができる。例えば、球状粉体や噴霧滴等の飛翔位置の測定に使用できる。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、以下の効果がある。
（１）飛翔物体が光束と交差した位置における光束の進行ベクトルと撮像部の入射光軸を含む平面に垂直な方向の座標成分を算出することにより飛翔する物体の位置を測定しているので、受光素子の大きさ以下の精度で飛翔物体の位置を測定できる。また、飛翔物体の到達面におけるはじきや広がり、あるいは滲みといった誤差が生じることはないため、従来に比べてより正確に飛翔物体の到達面における位置を測定できる。
（２）複数の光束を少なくも１箇所で交差するように出射し、その交差域に飛翔物体が横切るように吐出することにより、飛翔物体の位置を２次元あるいは３次元に決定でき、より正確に飛翔物体の位置を測定できる。
（３）光束をシート状に整形することにより、光束の位置合わせが容易、光束のエネルギー密度が増し、飛翔物体が光束に当たり、そこから出射する光が強くなるのでコントラストの良い画像が得られる等の利点がある。
（４）飛翔物体が複数の光束に当たる際に発生する光を異なる方向から撮像する複数の撮像レンズによって１つの撮像部の異なる領域に像を結像することにより、撮像部が１つで済むばかりでなく、露光タイミング制御等の操作制御量を軽減でき、取得画像数も減少する等の利点がある。
（５）撮像部にラインセンサカメラを用いることにより、取込みデータ量が少なく、高速で撮像できる。
（６）また、ラインセンサカメラを用いた時に入射光を集光するレンズを配置することにより、撮像部に入射する光が微弱であっても撮像可能となり、感度の低い撮像デバイスでも使用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の原理を説明するための図である。
【図２】本発明の飛翔物体位置測定装置の第１の実施形態を示す図である。
【図３】図２のＣＣＤカメラで撮像された液滴の画像を示す図である。
【図４】図２の実施形態の液滴座標を説明する図である。
【図５】本発明の第２の実施形態を示す図である。
【図６】本発明の第３の実施形態を示す図である。
【図７】図６の実施形態の撮像部で撮像されたキャリブレーション用格子パターンの画像の例を示す図である。
【図８】図６の実施形態で撮像された液滴画像の例を示す図である。
【図９】図７の画像を拡大して示す図である。
【図１０】図８の液滴画像を拡大して示す図である。
【図１１】本発明の第４の実施形態を示す図である。
【図１２】本発明の第５の実施形態を示す図である。
【図１３】図１２の実施形態で撮像された液滴画像の例を示す図である。
【符号の説明】
１液体吐出記録ヘッド
２液滴
３ａ，３ｂシート光
４ａ，４ｂ撮像部
５，５ａ，５ｂ撮像光学系
６，６ａ，６ｂＣＣＤカメラ
６´ カラーＣＣＤカメラ
７レーザ
７ａグリーンレーザ
７ｂブルーレーザ
８シート光整形用光学系
９レーザ変位計
１０ｘｙステージ
１１ｚステージ
１２あおり（チルト）機構部
１３回転用機構部
１４ａ，１４ｂ偏光板
１５入射光画像
１６ａ，１６ｂバンドパスフィルタ
１７レンズ
１８ミラー
１９三角プリズム
２０ａ，２０ｂラインセンサカメラ
２１ａ，２１ｂシリンドリカルレンズ
２２ファイバーケーブル[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method and apparatus for measuring the flying position of a flying object such as a micro liquid or a micro solid, and more particularly to a flying object position measuring method and apparatus suitable for inspecting a liquid ejection recording head used in a liquid ejection recording apparatus. It is.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, there is known a liquid discharge recording apparatus that forms an image by discharging droplets from a discharge port of a liquid discharge recording head (hereinafter referred to as a recording head) and landing on a recording medium such as paper or an OHP sheet. In liquid discharge recording devices, high definition and high image quality are required, and variations in the landing position of the ejected droplets may affect density unevenness and color tone deviation in color images, resulting in high definition and high image quality. It will be a hindrance. In order to prevent the occurrence of such a problem, the landing position measurement of the ejected droplets is performed as one of the inspection items of the droplet ejection characteristics of the manufactured recording head.
[0003]
As such a landing position measuring method, for example, as described in JP-A-7-329302, a predetermined inspection pattern is printed on a recording medium, and the printed pattern is visually observed or imaging and image processing are performed. A method for inspecting droplet landing by performing the method is known. In addition, as described in JP-A-2000-62158, at least one droplet is ejected from the ejection port of the recording head, and landed on a recording medium such as paper that is spaced apart from the ejection port surface, and the ejection port In addition, the droplets landed on the recording medium are recognized by an image processing camera arranged below the recording medium and image-processed to measure the respective coordinates, and the droplet landing position and the ejection port position are measured. There is a way to do it.
[0004]
Further, as proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-280461, laser light is emitted to the light receiving element, liquid droplets are ejected toward the optical axis of the laser light, and landing is performed by optically detecting the liquid droplets. A method for obtaining the position is also known.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, as described in JP-A-7-329302 and JP-A-2000-62158, in the method of observing and measuring the landing position by actually landing the droplet on the recording medium, the droplet at the time of landing There is a limit to the accuracy with which the droplet landing position can be measured by repelling, spreading, or bleeding.
[0006]
In the method proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-280461, the droplet flying position is detected while the droplet is flying, and there are no problems such as droplet repelling, spreading, and bleeding due to droplet landing. It is possible to determine whether or not a droplet has landed at a desired landing position. However, how much the landing position of the liquid droplet deviates from the desired landing position cannot be measured with an accuracy less than the size of the light receiving element. Further, in the method disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 2000-280461, only the landing position in one direction is known.
[0007]
The present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to provide a flying object position measuring method and apparatus that can more accurately measure the arrival position of a flying object.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The purpose of the present invention is to A light beam shaped in a sheet shape on a known plane corresponding to the arrival position of the flying object to be measured is emitted, The flying object is discharged from the discharge port so as to cross the light beam, and the light generated when the flying object hits the light beam The plane including the traveling vector of the light beam at the position where the flying object intersects the light beam and the incident optical axis of the imaging unit is arranged to be perpendicular to the known plane. Images taken by the imaging unit and taken images From A flying object position measuring method comprising: measuring a reaching position of a flying object on a reaching surface by calculating a coordinate component in a direction perpendicular to a plane including a traveling vector of the light flux and an incident optical axis of an imaging unit. Achieved by:
[0009]
The object of the present invention is to The sheet was shaped into a known plane corresponding to the arrival position of the flying object to be measured Means for emitting the luminous flux, and ejecting the flying object from the ejection port so as to cross the emitted luminous flux, A plane including the traveling vector of the light beam at the position where the flying object intersects the light beam and the incident optical axis of the imaging unit is arranged to be perpendicular to the known plane, Means for imaging light generated when the flying object hits the luminous flux, and the captured image From And means for measuring the arrival position of the flying object on the arrival surface by calculating a coordinate component in a direction perpendicular to a plane including the traveling vector of the light flux and the incident optical axis of the imaging means. Achieved by a flying object position measuring device.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. First, the principle of the present invention will be described. In the following description, droplets ejected from the liquid ejection recording head will be described as an example of flying objects.
[0011]
According to the research by the inventors of the present application, when the light emitted when the horizontally positioned light beam intersects the flying droplet is imaged from obliquely below the light beam, the light incident on the imaging unit shows the shape of the entire droplet. Rather, it was found that only the light emitted from a part of the droplet was captured. FIGS. 1A to 1C are diagrams for explaining this. FIGS. 1A and 1B are diagrams illustrating an example of a positional relationship when the imaging unit 4a captures light emitted when the droplet 2 crosses the light beam 3a. FIG. 1A is a view from the side, and FIG. 1B is a view from the top. The light beam 3a is horizontal (parallel to the xy plane), the droplets fly parallel to the z axis, and a plane including the optical axis of the imaging unit 4a and the optical axis of the light beam 3a is positioned parallel to the yz plane. The imaging unit 4a is located obliquely below the light beam 3a. FIG. 1C schematically shows an image captured when the droplet 2 is present in the light beam in this positional relationship.
[0012]
In FIG. 1C, the outer shape of the droplet 2 is drawn. This outer shape of the droplet is an image that can be seen when it is assumed that the illumination is performed from all directions. However, since it is assumed here that the light beam is applied only from one direction, the outer shape of the central section of the droplet as shown in FIG. Only the incident light image 15 emitted from a part of the droplet is photographed. The incident light image 15 and the droplet outer shape are symmetric with respect to an axis parallel to the Y axis, and the symmetry axes coincide with each other.
[0013]
Therefore, by processing the incident light image 15 to be imaged and calculating the X direction component of the symmetry axis, the position of the droplet center in the x direction at the position where the droplet intersects the light beam can be determined. Although this position accuracy depends on the resolution of the acquired image, if the incident light image 15 is enlarged using an image pickup unit with a high lens magnification and subjected to image processing such as centroid calculation to determine the position in the x direction, It is possible to measure to the accuracy below the size of the light receiving element, which was impossible, and the position accuracy below 1/10 of the outer diameter of the droplet.
[0014]
As described above, in the present invention, the component in the direction perpendicular to the plane including the traveling vector of the light beam and the incident optical axis of the image pickup unit at the position where the liquid droplet intersects the light beam can be measured with high accuracy below the droplet diameter. In addition, unlike the conventional example, measurement is performed while the droplets are flying, so that the droplets shed and spread when landing on the recording medium, which occurred in the conventional example. High-precision measurement is possible without causing errors such as bleeding.
[0015]
Next, an embodiment of the present invention will be described based on such a principle.
[0016]
(First embodiment)
FIG. 2 is a diagram showing a first embodiment of the flying object position measuring apparatus of the present invention. In FIG. 1, reference numeral 1 denotes a liquid discharge recording head (hereinafter referred to as a recording head) that forms an image by discharging droplets. In the present embodiment, a case where the arrival position of the droplets ejected from the recording head 1 on the arrival surface is measured will be described as an example. The recording head 1 is installed on the stage component so as to eject the droplet 2 downward in the vertical direction, and can be adjusted to a desired position.
[0017]
Specifically, the recording head 1 can be moved three-dimensionally by an xy stage 10 and a z stage 11. The xy stage 10 moves the recording head 1 in the lateral direction and the depth direction with respect to the paper surface of FIG. 1 to adjust the position of the xy plane. The z stage 11 adjusts the position in the z direction by moving the recording head 1 in the z direction (up and down in the drawing). The position resolution of the xy stage 10 and the z stage 11 is 0.1 μm. In addition, the recording head 1 can be positioned with a degree of parallelism in the rotational direction and height of 0.1 μm by the rotation mechanism 13 and the tilting mechanism 12. That is, the tilt mechanism unit 12 adjusts the level of the xy plane of the recording head 1, and the rotation mechanism unit 13 adjusts the angle of the recording head 1 on the xy plane. All the operating components such as these stages have electric motors (not shown), and operate by external control.
[0018]
Next, a method for positioning the recording head 1 will be described. In order to position the recording head 1, first, the parallelism in the z direction is adjusted. At that time, a laser displacement meter 9 with an accuracy of 0.1 μm or less arranged at the lower part of the measurement area is used. This laser displacement meter 9 measures the distance between three predetermined points on the lower surface of the recording head 1 and the three points to the laser displacement meter 9, and uses a tilting mechanism unit 12 so that the lengths coincide with each other. Adjust the parallelism. Next, the z stage 11 is operated so that the z-direction position of the lower surface of the ejection port of the recording head 1 is located at the z origin. The z origin is the position where the output of the laser displacement meter 9 is zero. Therefore, the distance between the lower surface of the discharge port of the recording head 1 and the laser displacement meter 9 is measured by the laser displacement meter 9, and the z stage 11 is operated so that the output of the laser displacement meter 9 becomes zero. Thus, the adjustment of the parallelism in the z direction of the recording head 1 is completed.
[0019]
Next, the discharge ports of the recording head 1 are imaged by the CCD cameras 6a and 6b, and the xy stage 10 is manually operated so that the discharge port is positioned at the origin position on any predetermined monitor. The imaging units 4a and 4b and the CCD cameras 6a and 6b are aligned so that the focal point is at the z origin. Here, a plurality of ejection openings of the recording head 1 are formed side by side, and the arrangement direction of the ejection openings is set to one of the feeding directions of the xy stage 10 (lateral direction or depth direction with respect to the paper surface of FIG. 1), or It is made to correspond to the advancing direction of sheet light 3a, 3b. Then, the positions of the ejection ports are confirmed on the monitor while moving the recording head 1 in any of the above directions on the xy stage 10, and the positions of the plurality of ejection ports are shifted in a direction perpendicular to the feeding direction of the xy stage 10. The θ direction of the recording head 1 (rotation direction of the recording head on the xy plane) is adjusted by using the rotation mechanism unit 13 so as not to be present.
[0020]
Next, when the discharge port to be measured is brought close to the origin on the monitor, the origin and the center of the discharge port are aligned with an accuracy of 0.1 μm or less by origin alignment control by image processing. With the above operation, the position of the ejection port of the recording head 1 can be positioned with an accuracy of 0.1 μm or less in the x, y, z, and θ directions. Further, the z stage 11 is operated to raise the recording head 1 in the z direction by a specified length. This length corresponds to the length of the ejection surface and the measurement surface (droplet arrival surface) of the recording head 1, and is 1.2 mm in this embodiment. Here, in the present embodiment, the apparatus is a device that measures the flying position of the droplet, but the plane that forms the central axis of the sheet light 3a and 3b is regarded as the arrival plane, and the arrival position of the droplet is measured. Therefore, the measurement value according to the present embodiment indicates the amount of deviation of the arrival position of the droplet with respect to the ejection port center of the recording head 1, and the distance between the arrival surface and the ejection port surface of the recording head 1 is also known. The direction can also be calculated.
[0021]
In this embodiment, two sheet-like light beams 3a and 3b are used. That is, on the horizontal plane at z = 0, two sheet-like laser beams 3a and 3b having a width of 4 mm and a minimum thickness of 10 μm are laid out so as to be orthogonal to each other. The position of the sheet light 3a, 3b is adjusted during assembly so that the center of the intersection of the central axes of the traveling directions coincides with the position of the origin on the monitor. The laser 7 which is the light source of the sheet light 3a, 3b has a good compatibility with the CCD cameras 6a, 6b and is a short wavelength, so it is a continuous YAG second harmonic with a wavelength of 532 nm, which is advantageous in terms of position measurement. A light emitting green laser is used. The output of the laser 7 is 500 mW.
[0022]
The laser light of the laser 7 is branched in two directions by the fiber cable 22, and the branched light is shaped into sheet-like light beams 3a and 3b by the sheet light shaping optical system 8 and emitted so as to be orthogonal to each other. When the luminous flux is shaped into a sheet, the thinner the luminous flux in the z direction, the easier it is to align the central axis of the luminous flux at the position of z = 0. Since the light that hits the light beam and is emitted therefrom becomes strong, there is an advantage that an image with good contrast can be acquired.
[0023]
In this way, the droplets are ejected toward the center of the intersection of the sheet light 3a and 3b, and the scattered light generated when the sheet light passes through is imaged by the CCD cameras 6a and 6b of the two imaging units 4a and 4b. Imaging optical systems 5a and 5b are attached to the CCD cameras 6a and 6b, respectively, and the imaging target is enlarged 10 times and taken. Further, the projection axis of the optical axis of the imaging unit 4a onto the xy plane coincides with the central axis of the sheet light 3a, and the angle formed by the optical axis of the imaging unit 4a and the central axis of the sheet light 3a is 45 degrees. In addition, the projection axis of the optical axis of the imaging unit 4b onto the xy plane coincides with the central axis of the sheet light 3b, and the angle formed by the optical axis of the imaging unit 4b and the central axis of the sheet light 3b is 45 degrees. The two imaging units 4a and 4b are arranged.
[0024]
It should be noted that the measurement can be sufficiently performed if there is a travel vector 3a (3b (corresponding to 4b)) on the projection axis of the imaging unit 4a (4b) on the xy plane of the optical axis. However, the energy density is higher as the luminous flux is closer to the center. Therefore, if it carries out as mentioned above, the light quantity radiate | emitted from liquid suit can be increased more.
[0025]
Polarizers 14a and 14b are attached to the imaging units 4a and 4b, and a half-wave plate is provided in the sheet light shaping optical system 8. While the discharged liquid droplets are imaged by the CCD cameras 6a and 6b, the rotation direction positions of the polarizing plates 14a and 14b and the half-wave plate are adjusted, and the light from the sheet light 3a is transmitted to the CCD camera 6a and from the sheet light 3b. The light from the sheet light 3a is cut by the polarizing plate 3b, and the light from the sheet light 3b is cut by the polarizing plate 3a. If the transmission axes of the polarizing plates 14a and 14b are appropriately adjusted without a half-wave plate, the light from the sheet light 3a out of the light incident on the CCD camera 6a is more than the light from the sheet light 3b. In many cases, the light from the sheet light 3b out of the light incident on the CCD camera 6b can be made larger than the light from the sheet light 3a. In this case, two incident lights can be separated by a process in image processing, for example, a difference in luminance values of both incident lights. A polarizing beam splitter may be used instead of the polarizing plate.
[0026]
Here, when one light beam having a specific traveling direction hits the droplet, the direction of the light emitted from the droplet covers various directions because the droplet surface is a curved surface. Therefore, when a plurality of light beams strike one droplet, light emitted from the droplets may enter the same single imaging unit even if the traveling directions of the light beams are different from each other. Then, one image can be obtained without distinguishing incident light resulting from the plurality of light beams.
[0027]
On the other hand, in order to specify the position of the droplet by the above method, it is necessary to recognize that the progress of the light beam is known and to distinguish the light emitted from the droplet when the light beam hits the droplet from the light emitted from others. Therefore, if the incident light image obtained from the acquired image is formed by incident light from a plurality of light beams, and it is difficult to separate and determine for each incident light from each light beam, the droplet coordinates are obtained from the image. Large errors may occur. Therefore, if an optical element that transmits light only in a specific polarization direction, such as a polarizing plate, is disposed on the optical axis of the imaging unit, unnecessary light can be cut due to the difference in the polarization state of incident light.
[0028]
In the present embodiment, the ejection frequency of the recording head 1 is driven at 100 Hz, and the capture frequencies of the CCD cameras 6a and 6b are driven at 10 Hz. The exposure time and the start timing of the CCD cameras 6a and 6b are controlled by the signal ON time of the signal input from the outside and the timing at which the signal is turned ON. In the present embodiment, the exposure time in one photographing is set to 100 μs, and the drive signal of the recording head 1 is input to the CCD cameras 6a and 6b via a thinning circuit and a delay unit (not shown). The signal of 10 Hz is extracted from the signal of frequency 100 Hz by the thinning circuit, and the timing of the signal input to the CCD cameras 6 a and 6 b is adjusted by the delay device so that one droplet is photographed by one photographing. .
[0029]
Further, cyan ink used as ink for the printer is used as the droplet, and the outer diameter of the discharged droplet is about 20 μm. In this manner, the droplets ejected from the recording head 1 are imaged by the CCD cameras 6a and 6b. FIG. 3 shows an image of a droplet imaged by the CCD camera 6a. FIG. 4 is a schematic view seen from the z direction for explaining the obtained droplet coordinates.
[0030]
Here, in FIG. 3, the droplet is symmetric with respect to an axis parallel to the Z axis. This is because the plane including the optical axis of the imaging unit 4a and the central axis of the sheet light 3a is substantially parallel to the z-axis direction in which the droplets fly. Further, the light incident on the CCD camera 6a is from the sheet light 3a, and the light from the sheet light 3b is cut by the polarizing plate 14a. Therefore, since the position in the X direction of the symmetry axis of the droplet photographed as described above coincides with the position in the x direction of the droplet that is the object to be photographed in FIG. 4, the center of gravity of the droplet image with respect to the monitor origin is calculated. Then, the X coordinate value of the gravity center position is set as the x-direction position of the droplet 2. Similarly, the y-direction position of the droplet 2 is determined from the image photographed by the CCD camera 6b.
[0031]
These calculation processes are performed by an arithmetic processing unit (microcomputer) (not shown). In the present embodiment, the resolution of the captured image is 0.6 μm, and since the center of gravity is calculated, the measurement error may be considered to be one pixel or less. That is, the position of the droplet can be measured with an accuracy of 1/10 or less of the outer diameter of the droplet. Note that the two-dimensional coordinates on the image are converted into the position coordinates in the real space, and the position of the droplet 2 on the arrival surface is determined. In the present embodiment, as described above, the ejection port center point of the recording head 1 is set as the origin on the xy plane, and the positioning accuracy is set to 0.1 μm. Therefore, the landing position of the droplet with respect to the ejection port can be measured with an accuracy of 0.1 μm. Further, since the distance between the measurement xy surface and the ejection port surface of the recording head 1 is also known, not only the landing position but also the droplet flight direction can be known.
[0032]
When the droplets fly obliquely with respect to the xy plane, the acquired incident light image is also inclined by the thickness of the sheet light, but the X and Y coordinates of the gravity center coordinates of the droplets are z Since it corresponds to the center position x, y of the flying droplet on the xy plane of = 0, the measured value can be calculated without any problem in terms of accuracy if it is processed by the above method. Further, in the present embodiment, the droplet coordinates are obtained by the combination of the sheet light 3a and the imaging unit 4a, and the sheet light 3b and the imaging unit 4b. However, even in the case of one sheet light and one imaging unit, the coordinates of the droplet are obtained. It is possible to get. In this case, since there is one sheet light, it is not necessary to cut the light emitted when another sheet light hits the droplet. Therefore, a polarizing plate and a half-wave plate are not necessary. Also, the coordinate values in the direction perpendicular to the height direction z, the traveling vector of the sheet light, and the optical axis of the imaging unit can be determined by the method described so far.
[0033]
Furthermore, when it is desired to determine the remaining one axis (the Y axis in FIG. 1C), the calculation is made from the Z direction position of the incident light image in FIG. That is, as shown in FIG. 1 (c), the center of gravity of the incident light image 15 and the center of gravity of the liquid droplet outline image (not visible in FIG. 4) seen when illuminated from all directions are the Z-direction coordinates of both. Is different. But measurement Target If the external shape of the droplet is known, it is possible to calculate from which position of the droplet the light of the incident light image 15 is derived. Therefore, from the Z coordinate value of the center of gravity of the incident light image 15, the droplet It is possible to specify the position of the sheet light in the traveling direction.
[0034]
Further, in the apparatus configuration of the present embodiment, the sheet light hits the droplet and the light that has been transmitted and refracted enters the imaging unit, but the traveling directions of the sheet light 3a and 3b are reversed. Arrangement may be taken. In this case, the light reflected by the sheet light on the droplet is imaged. In particular, when the droplet is a pigment ink, light does not pass therethrough, so the reflected light must be imaged.
[0035]
(Second Embodiment)
FIG. 5 is a view showing a second embodiment of the flying object position measuring apparatus of the present invention. The difference from the first embodiment is that the lasers 7a and 7b having two different wavelengths are used, and the laser light emitted from the lasers 7a and 7b is directly used for the sheet light shaping optical system 8 without using a fiber cable. The incident point is that bandpass filters 16a and 16b are used instead of the polarizing plates 14a and 14b. Other configurations are the same as those in FIG.
[0036]
The laser 7a is a YAG second harmonic CW green laser with a wavelength of 532 nm and the output is 200 mW. The laser 7b is a CW air-cooled Ar laser with a wavelength of 488 nm and the output is 100 mW. The laser beams output from both lasers enter the sheet light shaping optical system 8 and are shaped into sheet-like laser beams 3a and 3b having a width of 4 mm and a minimum thickness of 10 μm, as in the first embodiment, and orthogonal to each other. Is emitted. Unlike the first embodiment, the sheet light shaping optical system 8 does not necessarily include a half-wave plate.
[0037]
Band-pass filters 16a and 16b are installed in the imaging units 4a and 4b, respectively. The bandpass filter 16a transmits light having a wavelength of 532 nm and does not transmit light having a wavelength of 488 nm. The band pass filter 16b transmits light having a wavelength of 488 nm and does not transmit light having a wavelength of 532 nm. Thereby, only the light from the sheet light 3b is incident on the imaging unit 4a, and the light from the sheet light 3b is incident on the imaging unit 4b.
[0038]
The ejected droplets were cyan ink used as printer ink. When droplets were ejected with this apparatus configuration, the captured image was the same as in FIG. Accordingly, as in the first embodiment, the droplet position coordinates in the direction perpendicular to the plane including the optical axis of the imaging unit and the central axis of the sheet light can be calculated from the images captured by both CCD cameras, and the landing of the droplet The position can be measured.
[0039]
(Third embodiment)
FIG. 6 is a diagram showing a third embodiment of the present invention. The difference from the second embodiment is that the two optical axes of the imaging unit are bent by a mirror 18 and a triangular prism 19 so that an image is formed on the imaging surface of the same CCD camera 6. With this configuration, since only one CCD camera is used, there is an advantage that the number of images to be acquired and the data capacity are halved. Also, the cost can be reduced.
[0040]
The imaging unit 5 has a structure including a 10 × microscope lens 17, bandpass filters 16 a and 16 b, a mirror 18, and a triangular prism 19. In FIG. 6, the optical axis on the left side of the imaging unit 5 is at a position that is inward from the left end surface of the imaging surface of the CCD camera 6 by a length that is ¼ of the size of the light receiving unit. The position of the CCD camera 6 is adjusted so as to form an image at a position that is inward from the right end surface of the imaging surface by a quarter of the light receiving portion size. The image origin described in the first embodiment is also determined as a position on the monitor corresponding to the imaging position.
[0041]
The bandpass filter 16a transmits light having a wavelength of 532 nm and does not transmit light having a wavelength of 488 nm, as in the second embodiment. The band pass filter 16b has a function of transmitting light having a wavelength of 488 nm and not transmitting light having a wavelength of 532 nm. Other configurations are the same as those in FIG.
[0042]
Here, a glass substrate on which a square lattice pattern is drawn with chrome is placed on a plane of z = 0 including the traveling central axes of the sheet lights 3a and 3b, and an image taken by the imaging unit 5 is shown in FIG. In FIG. 7, it is installed so that the diagonal direction of the grating coincides with the traveling direction of the sheet lights 3a and 3b, and the distance between the gratings is 20 μm. Calibration is performed using the acquired image. That is, the calculation algorithm for converting the two-dimensional coordinates on the image into the position coordinates on the real space is determined by the acquired image.
[0043]
Further, FIG. 8 shows an example of imaging a droplet imaged by this apparatus configuration. The imaged droplet is cyan ink used as ink for the printer. The same applies to the case of FIG. 7, but the flight direction is inclined obliquely due to the structure of the imaging unit. 9 shows an enlarged image of the left side acquired image of FIG. 7, and FIG. 10 shows an enlarged image of the incident light image on the left side of FIG. The spatial axis directions x and z correspond to the diagonal directions X and Z of the lattice in the acquired image. Since the X coordinate value of the center position of the incident light image coincides with the x coordinate value of the droplet center, the x coordinate of the droplet center can be calculated by calculating the center of gravity of the captured incident light image. The y coordinate of the droplet center can be calculated from the image. Note that the two-dimensional coordinates on the image are converted into position coordinates in the real space using a calculation algorithm, and the position of the droplet on the arrival surface is determined.
[0044]
(Fourth embodiment)
FIG. 11 is a diagram showing a fourth embodiment of the present invention. The difference from the third embodiment is that a color CCD camera 6 ′ is used as an imaging device and that bandpass filters 16 a and 16 b are not installed.
[0045]
In this apparatus configuration, both the sheet lights 3a and 3b pass through both optical axes of the image pickup unit 5 and enter the color CCD camera 6 '. An image obtained by the camera is subjected to image processing, and an image having only G (green) and B (blue) color components is obtained. Only the image by the light from the sheet light 3a which is green is transferred to the G (green) color component image. Therefore, the liquid appropriate image on the left side of the image is the same as in FIG. By processing this left liquid appropriate image in the same manner as in the third embodiment, the x coordinate on the liquid appropriate arrival surface is determined. Moreover, only the image by the light from the sheet light 3b which is blue is transferred to the image of the B (blue) color component. Therefore, the y coordinate on the liquid appropriate arrival surface is determined by processing the right liquid appropriate image in the same manner as in the third embodiment.
[0046]
(Fifth embodiment)
FIG. 12 is a diagram showing a fifth embodiment of the present invention. The difference from the second embodiment is that line sensor cameras 20a and 20b are used as imaging devices, and cylindrical lenses 21a and 21b are installed on the optical axes of the imaging units 5a and 5b. The line sensor cameras 20a and 20b are installed so that the element arrangement direction is parallel to the xy plane and the element surface faces upward 45 degrees. The cylindrical lenses 21a and 21b are arranged so as to collect incident light in a direction perpendicular to the element arrangement direction of the line sensor camera and the optical axis of the imaging unit. Other configurations are the same as those in FIG.
[0047]
The line sensor cameras 20a and 20b used in this embodiment have a maximum line rate of 64 kHz. In the operation mode in this embodiment, the exposure time and the start timing thereof are the signal ON time of the signal input from the outside and the signal ON. It is controlled at the timing of switching to.
[0048]
The drive signal of the recording head 1 is inputted to the line sensor cameras 20a and 20b via a delay device, and the CCD camera is used by the delay device so that one droplet is photographed by one photographing. The timing of the input signal is adjusted. In the first embodiment, a thinning circuit is provided between the recording head 1 and the delay unit, and the frequency of the signal input to the CCD camera is reduced to 10 Hz. However, the line sensor cameras 20a and 20b used in this embodiment are not limited to the above. Since the maximum line rate is faster than the maximum drive frequency of the recording head currently conceivable, 30 kHz, the line rates of the line sensor cameras 20 a and 20 b are the same as the ejection frequency of the recording head 1.
[0049]
The droplets to be ejected are cyan ink used as printer ink, and the droplets are ejected with the drive frequency of the recording head 1 set to 10 KHz. FIG. Shown in In this case, since the cylindrical lens is inserted on the optical axis, unlike the first and second embodiments, the light on the same vertical line of the two-dimensional CCD is condensed on one element. Therefore, an image with higher contrast can be obtained. The center of the incident light image of the acquired image is calculated by image processing. From the acquired image of the line sensor camera 20a, the x-direction coordinate of the droplet center is calculated from the acquired image of the line sensor camera 20b. Is obtained. By using a line sensor camera in this way, even when droplets are ejected at a high ejection frequency, the landing position is measured for all droplets for a certain period of time without thinning out the droplets to be measured. Is possible.
[0050]
By inspecting the recording head using the method and apparatus according to the present invention described in the above embodiments, the quality of the recording head to be shipped can be guaranteed at a high level. At this time, if the measured data is fed back to the manufacturing process, a more reliable recording head can be produced efficiently and the manufacturing cost can be reduced. Furthermore, it is also possible to provide a recording head inspection function by providing an apparatus according to the present invention in a drawing apparatus such as a printer. By doing so, it is possible to realize a drawing apparatus with higher accuracy and higher reliability.
[0051]
In the above embodiment, the case where the droplet flying position of the liquid discharge recording head is measured has been described as an example. However, the present invention is not limited to this, and the invention is not limited to this. Can also be used. For example, it can be used for measuring the flying position of spherical powder or spray droplets.
[0052]
【The invention's effect】
As described above, the present invention has the following effects.
(1) Since the position of the flying object is measured by calculating the coordinate component in the direction perpendicular to the plane including the traveling vector of the light beam at the position where the flying object intersects the light beam and the incident optical axis of the imaging unit, The position of the flying object can be measured with an accuracy less than the size of the light receiving element. In addition, since errors such as repelling, spreading, or bleeding on the arrival surface of the flying object do not occur, the position of the flying object on the arrival surface can be measured more accurately than in the past.
(2) By emitting a plurality of light beams so that they intersect at least at one location and ejecting the flying object so that it crosses the crossing area, the position of the flying object can be determined two-dimensionally or three-dimensionally. The position of the flying object can be measured.
(3) By shaping the light beam into a sheet shape, the alignment of the light beam is easy, the energy density of the light beam increases, the flying object hits the light beam, and the light emitted from it becomes stronger, so that an image with good contrast can be obtained, etc. There are advantages.
(4) Only one imaging unit is required by forming images on different regions of one imaging unit by using a plurality of imaging lenses that capture light generated when a flying object hits a plurality of light beams from different directions. In addition, there is an advantage that the amount of operation control such as exposure timing control can be reduced and the number of acquired images is reduced.
(5) By using a line sensor camera for the imaging unit, the amount of captured data is small, and imaging can be performed at high speed.
(6) In addition, by using a lens that collects incident light when using a line sensor camera, it is possible to take an image even when the light incident on the imaging unit is weak, and it can also be used with an imaging device with low sensitivity. is there.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram for explaining the principle of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a first embodiment of a flying object position measuring apparatus of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing an image of a droplet imaged by the CCD camera of FIG. 2;
FIG. 4 is a diagram illustrating droplet coordinates according to the embodiment of FIG.
FIG. 5 is a diagram showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing a third embodiment of the present invention.
7 is a diagram illustrating an example of an image of a calibration grid pattern imaged by the imaging unit of the embodiment of FIG. 6;
FIG. 8 is a diagram illustrating an example of a droplet image captured in the embodiment of FIG.
9 is an enlarged view of the image of FIG.
10 is an enlarged view of the droplet image of FIG. 8. FIG.
FIG. 11 is a diagram showing a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a diagram showing a fifth embodiment of the present invention.
13 is a diagram illustrating an example of a droplet image captured in the embodiment of FIG.
[Explanation of symbols]
1 Liquid discharge recording head
2 droplets
3a, 3b sheet light
4a, 4b Imaging unit
5, 5a, 5b Imaging optical system
6,6a, 6b CCD camera
6 'color CCD camera
7 Laser
7a Green laser
7b Blue Laser
8 Optical system for sheet light shaping
9 Laser displacement meter
10 xy stage
11z stage
12 tilt mechanism
13 Mechanism for rotation
14a, 14b Polarizing plate
15 Incident light image
16a, 16b Band pass filter
17 Lens
18 Mirror
19 Triangular prism
20a, 20b Line sensor camera
21a, 21b Cylindrical lens
22 Fiber cable

Claims

The light beam is shaped into a sheet to a known plane corresponding to the arrival position of the flying object to be measured emits ejects flying object from the discharge port across the beam, wherein the flying object is generated when striking the light beam The light is imaged by an imaging unit arranged such that a plane including a traveling vector of the light beam at a position where the flying object intersects the light beam and an incident optical axis of the imaging unit is perpendicular to the known plane. The arrival position on the arrival surface of the flying object is measured by calculating a coordinate component in a direction perpendicular to a plane including the traveling vector of the light flux and the incident optical axis of the imaging unit from the captured image. A flying object position measurement method.

2. The flying object position measuring method according to claim 1, wherein the light beam includes a plurality of light beams, the plurality of light beams are emitted so as to intersect at least at one place, and the flying object is discharged so as to cross the crossing region. .

The flying object position measuring method according to claim 2 , wherein an optical element that transmits a light beam having only a corresponding polarization direction among a plurality of light beams is disposed on an optical axis of the imaging unit.

4. The flying object position measuring method according to claim 3 , wherein the transmission axis of the optical element is adjusted so that the luminous flux incident on each imaging unit has a maximum corresponding luminous flux among the plurality of luminous fluxes. .

Wherein the plurality of light beams are different wavelengths from each other, according to claim 2, characterized in that the wavelength selective element which transmits only the wavelength of the corresponding light beams of the plurality of light beams on the optical axis of the imaging unit is arranged The flying object position measuring method described in 1.

The flying object position measuring method according to claim 2 , wherein the plurality of light beams have different wavelengths, and the imaging unit includes a color CCD camera.

By including a plurality of imaging lenses for imaging light generated when the flying object hits a plurality of light beams from different directions, and forming images from the plurality of imaging lenses at different positions of one imaging unit The flying object position measuring method according to claim 1 , wherein images from the plurality of light beams are picked up by a single image pickup unit.

The imaging unit includes a one-dimensional light receiving element in which a plurality of light receiving elements are arranged one-dimensionally, and the light receiving elements are arranged in a direction orthogonal to a traveling vector of a light beam and an incident optical axis of the imaging unit. The flying object position measuring method according to any one of claims 1 to 7 .

According to claim 8, wherein the alignment direction and the lens for condensing light incident on the imaging unit in a direction perpendicular to the plane including the incident optical axis of the imaging unit of the light receiving element is arranged A flying object position measurement method.

The flying object position measuring method according to claim 1 , wherein the flying object is a droplet discharged from a liquid discharge recording head.

Means for emitting a light beam shaped into a sheet shape in a known plane corresponding to the arrival position of the flying object to be measured, and ejecting the flying object from an ejection port so as to cross the emitted light beam, and the flying object is the light beam The plane including the traveling vector of the light beam at the position intersecting with the incident light axis and the incident optical axis of the imaging unit is arranged to be perpendicular to the known plane, and images the light generated when the flying object hits the light beam And means for measuring the arrival position of the flying object on the arrival surface by calculating a travel vector of the luminous flux and a coordinate component in a direction perpendicular to a plane including the incident optical axis of the imaging means from the captured image. And a flying object position measuring device.