JP2014524859A - 流体レベルセンサー及び関連する方法 - Google Patents

Abstract

１実施形態において、流体レベルセンサーは、センサープレート及び電流源を備える。該流体レベルセンサーはさらに、該センサープレートに加えられた電流が、ドライセンサープレート状態とウェットセンサープレート状態間で最大の応答電圧差を引き起こすように該電流源をバイアスするためのアルゴリズムを備える。
【選択図】図７

Description

種々のタイプのインクジェットプリンターについて、インクリ供給リザーバ（インク供給槽）内のインクレベル（インク量またはインク面レベル）を正確に検出することは、多くの理由から望ましい。たとえば、インクの正確なレベルを検出して、１つの流体カートリッジ内に残っている該レベルに対応するインク量の指標を提供することによって、プリンターのユーザーは、消耗したインクカートリッジを交換する準備することが可能になる。正確なインクレベルの指標は、インクの浪費を回避するのにも役立つ。なぜなら、インクレベルの指標が不正確だと、まだインクが残っているインクカートリッジを早まって交換してしまうことが多いからである。さらに、印刷システムは、不十分な供給レベルに起因して生じうる低品質の印刷を防止するのに役立つ所定のアクションを起動するためにインクレベル検出を使用することができる。

リザーバすなわち流体室（流体チャンバ）内の流体のレベル（流体の量もしくは液面レベル。以下同じ）を決定するために利用できる多くの技術があるが、それらの精度及びコストに関連する種々の課題が依然として存在している。

（追って補充）

１実施形態にしたがう、流体レベルセンサーを組み込むのに適したインクジェット印刷システムとして具現化された流体噴射装置を示す。 １実施形態にしたがう、シリコンダイ基板中に形成された単一の流体スロットを有するTIJプリントヘッドの一方の端部の底面図である。 １実施形態にしたがう、流体滴発生器の１例の断面図である。 １実施形態にしたがう、プライミング動作中にインクがセンサープレートの上を後退させられるときのいくつかの異なる段階にあるMEMS構造の部分上面図及び部分側面図である。 １実施形態にしたがう、インクレベルセンサー回路の高レベルブロック図の１例を示す。 １実施形態にしたがう、範囲選択回路を示す。 １実施形態にしたがう、インクレベルセンサーをブラックボックス要素として示した図である。 １実施形態にしたがう、ある範囲の入力刺激にわたる、ドライ応答曲線、ウェット応答曲線、及び差曲線を示す。 １実施形態にしたがう、弱いドライ応答曲線、弱いウェット応答曲線、及び弱い差曲線を示す。 １実施形態にしたがう、弱いウェット応答曲線及び弱いドライ応答曲線に影響を与えるプロセス及び環境の変化の例を示す。 １実施形態にしたがう、図１０からのウェットとドライの差（ウェット−ドライ）信号を重ねて表示した図であり、刺激に対して該差がプロットされており、プロセス及び環境によって引き起こされた変化を示している。 １実施形態にしたがう、刺激の代わりに応答に基づく差信号曲線を示す。 １実施形態にしたがう、流体レベルを検出する方法の１例のフローチャートを示す。 １実施形態にしたがう、流体レベルを検出する方法の１例のフローチャートを示す。

以下、本発明の実施形態を添付の図面を参照して説明する。

課題とその解決策の概観
上記したように、リザーバすなわち流体室内の流体のレベルを決定するために利用できる多くの技術が存在する。たとえば、インクカートリッジ内で光ビームを反射または屈折させて、電気的な及び／またはユーザーが視認することができるインクレベル指標を生成するために、プリズムが使用されている。背圧インジケータは、リザーバ内の流体レベルを決定するための別の手段である。いくつかの印刷システムは、インクレベル（またはインク残量。以下同じ）を決定する方法として、インクジェットプリントカートリッジから噴射されるインク滴の数を数える。さらに他の技術は、印刷システムにおける流体レベルのインジケータとして流体の導電率を使用する。しかしながら、流体レベルを検出するシステム及び技術の精度及びコストを改善することに関する課題が依然として存在している。

本開示の実施形態は、従来のインクレベル検出技術を改良する流体レベルセンサー及び関連する方法を提供する。開示されているセンサー及び方法は、流体要素（流体素子）を具備するMEMS構造、センサー回路、及び、該回路を最適な動作点にバイアスするためのバイアス技術を含む。回路がバイアスされている動作点は、ドライインク状態（すなわち、インクが存在しない状態）とウェットインク状態（すなわち、インクが存在する状態）の間の最大出力差信号を可能にする（すなわち差信号の最大化を可能にする）。センサー回路は、流体チャネル内にセンセンサープレートを備えている。（たとえば、スピッティングまたはプライミング中に）該チャネル内のインクに加えられる背圧によって、インクがノズルから引き出されて、センサープレートの上を該チャネルを通って引き戻され、これによって、該プレートが空気にさらされる。該回路は、センサープレートに電流を供給して、該プレートに（たとえば該プレートの両端間に）電圧応答を生じさせるための電流源を備えている。測定された該プレートの電圧応答は、該プレートがウェット（ウェットは、流体チャネル内にインクがあることを示している）であるか、ドライ（ドライは、流体チャネル内に空気が存在することを示している）であるかの指標を提供する。バイアス技術は、該電流源を最適な動作点にバイアスするためのアルゴリズムを利用し、この最適な動作点では、センサープレートに供給される電流の量によって、微弱信号状態におけるウェットプレート状態とドライプレート状態間のセンサープレートの最大差電圧応答が引き起こされる。

開示されている流体レベルセンサー及び関連する方法の利点には、MEMS構造（たとえば、流体チャネル及びインク室）に残ったくずや破片による汚染に対する高い耐性が含まれ、この高い耐性によって、ウェット状態とドライ状態を正確に示すことが可能になる。センサーのコストは、既存のサーマルインクジェットプリントヘッドに配置される回路及びMEMS構造を使用するがゆえに抑えられる。該回路のサイズ（大きさ）は、数個（たとえば２〜３個）のインクジェットノズルの空間に該回路を配置可能な程度のものである。

１実施形態では、流体レベルセンサーは、センサープレート及び電流源を有するセンサー回路を備える。流体レベルセンサーはまた、電流源からセンサープレートに加えられた電流によって、ドライセンサープレート状態とウェットセンサープレート状態間の応答電圧に最大の差が生じるように該電流源をバイアスするための、プロセッサが実行可能な命令（プロセッサ実行可能命令）を有するアルゴリズムを含んでいる。

１実施形態では、流体レベルセンサーは、電流源と、入力コードを電流源のバイアス電圧に変換するためのDAC（デジタル−アナログ変換器）を備える。該センサーはまた、センサープレートと、該センサープレートに電流源からの電流を与えるためのスイッチを備える。測定モジュールは、センサープレートの応答電圧をある閾値を比較することによって、ウェットセンサープレート状態かドライセンサープレート状態かを決定する。

別の実施形態では、流体レベルを検出する方法は、ウェット状態及びドライ状態においてセンサー回路に刺激電圧を印加することを含む。刺激電圧は、ある最小電圧からある最大電圧までの範囲を有する。該方法は、該刺激の範囲にわたってウェット応答及びドライ応答を測定することを含む。ウェット応答とドライ応答間の差応答が決定され、該差応答におけるピーク差（最大差）が特定される。該方法は、次に、該ピーク差に対応するピーク刺激電圧（最大刺激電圧）を決定する。

別の実施形態では、流体レベルを検出する方法は、電流が、ウェットセンサープレート状態とドライセンサープレート状態間でセンサープレートの最大電圧変化を引き起こすように（すなわち、それらの２つの状態間でセンサープレートにかかる電圧の変化が最大になるように）電流源をバイアスすることを含む。該方法はまた、該電流をセンサープレートに加えること、センサープレートの応答電圧をサンプリングすること、該応答電圧をある閾値電圧と比較すること、及び、該比較に基づいて該ドライセンサープレート状態を決定することを含む。

例示的な実施形態
図１は、本開示の１実施形態にしたがう、本明細書に開示されている流体レベルセンサー及び方法を実施するのに適したインクジェット印刷システム１００として具現化された流体噴射装置を示している。この実施形態では、流体噴射アセンブリは、流体滴噴射プリントヘッド１１４として開示されている。インクジェット印刷システム１００は、インクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２、インク供給アセンブリ１０４、搭載アセンブリ１０６、媒体搬送アセンブリ１０８、電子プリンターコントローラ１１０、及び、インクジェット印刷システム１００の種々の電気的構成要素に電力を供給する少なくとも１つの電源１１２を備えている。インクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２は、印刷媒体１１８に印刷するために、複数のオリフィスすなわちノズル１１６を通じて、印刷媒体１１８に向けてインク滴を噴射する少なくとも１つの流体噴射アセンブリ１１４（プリントヘッド１１４）を備えている。印刷媒体１１８を、紙、カード用紙、透明フィルム（OHPフィルムなど）、ポリエステル、合板、フォームボード（foam board：発泡板）、布地、キャンバス（カンバス）などの、任意のタイプの適切なシート状物質やロール材とすることができる。ノズル１１６は、典型的には、１以上の列すなわちアレイをなすように配置され、インクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２と印刷媒体１１８とが互いに相対的に移動する際に、ノズル１１６から適切な順番でインクを噴射することにより、文字、記号、及び／又は他の図形あるいは画像を印刷媒体１１８上に印刷するようになっている。

インク供給アセンブリ１０４は、プリントヘッドアセンブリ１０２に流体インクを供給し、また、インクを格納するためのリザーバ１２０を備えている。インクはリザーバ１２０からインクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２へ流れる。インク供給アセンブリ１０４及びインクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２は、一方向インク配送システムと循環式インク配送システムのいずれかを形成することができる。一方向インク配送システムの場合は、インクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２に供給されるインクは実質的に全て、印刷中に消費される。一方、循環式インク配送システムの場合は、プリントヘッドアセンブリ１０２に供給されるインクは、そのうちの一部だけが、印刷中に消費される。印刷中に消費されなかったインクは、インク供給アセンブリ１０４へ戻される。

１実施形態では、インク供給アセンブリ１０４は、インクを、インク調節アセンブリ１０５を通じて、正圧下で、インクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２へと、供給管などのインターフェース接続を介して供給する。インク供給アセンブリ１０４は、たとえば、リザーバ１２０、ポンプ及び圧力調整器（図には明示されていない）を備えている。リザーバ１２０を、取り外し、交換し、及び／または再充填することができる。インク調節アセンブリ１０５における調節には、フィルタリング、予熱、圧力サージ吸収、及びガス抜きを含めることができる。インクは、負圧下で、プリントヘッドアセンブリ１０２からインク供給アセンブリ１０４へと引き込まれる。プリントヘッドアセンブリ１０２の入口と出口間の圧力差は、ノズル１１６に適切な背圧を確立するように選択され、通常は、H2Oの−１と−１０の間の負圧である。しかしながら、（たとえば、リザーバ１２０における）インク供給が耐用期限（寿命）の終わりに近づくと、印刷またはプライミング動作中に加えられる背圧が上昇する。この上昇した背圧の強さは、インクメニスカスをノズル１１６から後退させて、MEMS構造の流体チャネルを通じて引き戻すのに十分なものである。１実施形態では、プリントヘッド１１４は、この上昇した背圧及び後退させられたメニスカスを用いて、インク供給の耐用期限近くにおける正確なインクレベルの指標を提供するインクレベルセンサー２０６を備えている。

搭載アセンブリ１０６は、インクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２を媒体搬送アセンブリ１０８に対して位置決めし、媒体搬送アセンブリ１０８は、印刷媒体１１８をインクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２に対して位置決めする。したがって、インクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２と印刷媒体１１８との間の領域には、ノズル１１６の近くにまたは隣接して印刷ゾーン１２２が画定される。１実施形態では、インクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２は走査型プリントヘッドアセンブリである。その場合、搭載アセンブリ１０６は、インクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２を媒体搬送アセンブリ１０８に対して移動させて、印刷媒体１１８を走査するためのキャリッジを有する。他の実施形態では、インクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２は非走査型プリントヘッドアセンブリである。その場合、搭載アセンブリ１０６は、インクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２を媒体搬送アセンブリ１０８に対して所定の位置に固定し、一方、媒体搬送アセンブリ１０８は、印刷媒体１１８をインクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２に対して位置決めする。

電子プリンターコントローラ１１０は、典型的には、インクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２、搭載アセンブリ１０６、及び媒体搬送アセンブリ１０８と通信し及びこれらを制御するためのプロセッサ、ファームウェア、ソフトウェア、揮発性及び不揮発性の記憶要素（記憶装置の構成要素）を含む１以上の記憶要素、及びその他のプリンター電子回路を含む。電子コントローラ１１０は、コンピュータ等のホストシステムからデータ１２４を受信し、データ１２４を記憶装置に一時的に格納する。データ１２４は、典型的には、電子、赤外線、光またはその他による情報伝送経路を介してインクジェット印刷システム１００に伝送される。データ１２４は、たとえば、印刷すべき文書及び／又はファイルを表す。したがって、データ１２４は、インクジェット印刷システム１００に対する印刷ジョブを形成し、及び、１以上の印刷ジョブコマンド及び／またはコマンドパラメータを含む。

１実施形態では、電子プリンターコントローラ１１０は、ノズル１１６からインク滴を噴射させるために、インクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２を制御する。したがって、電子コントローラ１１０は、文字、記号、及び／または他の図形あるいは画像を印刷媒体１１８上に形成する噴射インク滴のパターンを画定する。噴射インク滴のパターンは、データ１２４からの印刷ジョブコマンド及び／またはコマンドパラメータによって決定される。１実施形態では、電子コントローラ１１０は、コントローラ１１０で実行される実行可能命令を有するバイアスアルゴリズム１２６を含む。バイアスアルゴリズム１２６は、インクレベルセンサー２０６（図２）を制御し、及び、ウェット状態（すなわち、インクがあるとき）とドライ状態（すなわち、空気が存在するとき）間で、センサー２０６から最大の電圧応答差が生じる最適な動作／バイアス点を決定するために実行される。電子コントローラ１１０はさらに、コントローラ１１０で実行される実行可能命令を有する測定モジュール１２８を備えている。最適なバイアス点が決定されると、測定モジュール１２８が実行され、これによって、インクレベルセンサー２０６を制御する測定サイクルが開始されて、測定された時間（この時間は、ドライ状態がMEMS構造の流体チャネル内で持続している時間である）に基づいてインクレベルが決定される。

説明している実施形態では、インクジェット印刷システム１００は、本明細書に開示されているインクレベルセンサーを実施するのに適したサーマルインクジェット（TIJ）プリントヘッド１１４を有するドロップオンデマンドサーマルインクジェット印刷システムである。１実施例では、インクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２は、単一のTIJプリントヘッド１１４を備えている。別の実施例では、インクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２は、ワイドアレイのTIJプリントヘッド１１４を備えている。TIJプリントヘッドに関連する製造プロセスは、開示されているインクレベルセンサーの組み込みに好適であるが、圧電プリントヘッドなどの他のプリントヘッドタイプも、そのようなインクレベルセンサーを実施することができる。したがって、開示されているインクレベルセンサーは、TIJプリントヘッド１１４における実施には限定されない。

図２は、本開示の１実施形態による、シリコンダイ基板２０２中に形成された単一の流体スロット２００を有するTIJプリントヘッド１１４の一方の端部の底面図である。プリントヘッド１１４は単一の流体スロット２００を有するものとして図示されているが、本明細書に開示されている原理の適用例は、１つのスロット２００のみを有するプリントヘッドには限定されない、２つ以上の流体スロットを有するプリントヘッドや流体チャネル及び流体室にインクをもたらすために種々の大きさの穴を使用するプリントヘッドなどの他のプリントヘッド構成も可能である。流体スロット２００は、基板２０２中に形成された細長いスロットであって、流体リザーバ１２０などの流体供給部と流体連絡（すなわち流体が行き来できるように）している。流体スロット２００は、流体室２０４及びノズル１１６を含む該スロットの両側に沿って配置された流体滴発生器３００を有している（流体滴発生器は液滴発生器ともいう）。図３を参照して後述するように、基板２０２は、流体室２０４を有するチャンバ層と、ノズル１１６が内部に形成されているノズル層の下にある。しかしながら、説明の便宜上、下にある基板２０２を見せるために、図２のチャンバ層及びノズル層は透明であると想定されている。このため、図２では、室２０４及びノズル１１６は破線を用いて示されている。

スロット２００の両側に沿って配置された流体滴発生器３００に加えて、TIJプリントヘッド１１４は、１以上の流体（ここではインク）レベルセンサー２０６を備えている。インクレベルセンサー２０６は、一般に、MEMS構造、及び、一体化されたすなわち組み込まれたセンサー回路２０８を備えている。MEMS構造は、たとえば、流体スロット２００、流体チャネル２１０、流体室２０４、及びノズル１１６を備えている。センサー回路２０８は、流体チャネル２１０の底部に配置されたセンサープレート２１２、及び他の回路２１４を備えている。該他の回路２１４は、たとえば、電流源、バッファアンプ（緩衝増幅器）、DAC（デジタル−アナログ変換器）、ADC（アナログ−デジタル変換器）、及び測定回路を備えている。センサープレート２１２は、たとえばタンタルから形成された金属プレート（金属板）である。ADC及び測定回路などの他の回路２１４の一部は、その全てが基板２０２上の一つの場所にはなくてもよく、基板２０２上の異なる位置に分散していてもよい。流体センサー２０６及びセンサー回路２０８については、図４及び図５を参照してより詳細に後述する。

図３は、本開示の１実施形態による、流体滴発生器の１例３００の断面図である。各流体滴発生器３００は、ノズル１１６、流体室２０４、及び流体室２０４内に配置されている噴射要素３０２を備えている。ノズル１１６は、ノズル層３１０内に形成されており、流体スロット２００の側部に沿ってノズル列を形成するように全体的に配置されている。噴射要素３０２は、シリコン基板２０２の上面上の絶縁層（たとえば、ポリシリコンガラス：PSG（polysilicon glass））３０４上の金属プレート（たとえば、タンタル−アルミニウム：TaAl）から形成された熱抵抗器である。噴射要素３０２を覆う（または該噴射要素３０２の上にある）パッシベーション層３０６は、噴射要素を室２０４内のインクから保護し、及び、崩壊する気泡の衝撃を吸収するための機械的パッシベーションまたは保護用のキャビテーションバリア（cavitation barrier）構造として作用する。チャンバ層３０８は、壁、及び、基板２０２をノズル層３１０から分離する室（チャンバ）２０４を有している。

印刷中、流体滴（または液滴。以下同じ）が、対応するノズル１１６を通って室２０４から噴射され、その後、室２０４は、流体スロット２００からの循環する流体で再充填される。より具体的には、電流が抵抗噴射要素（抵抗噴射素子ともいう）３０２を流れ、これによって該要素が急速に加熱される。噴射要素３０２の上にある（または該要素３０２を覆っている）パッシベーション層３０６に隣接する流体の薄い層は、過熱されて気化し、これによって、対応する噴射室（噴射チャンバともいう）２０４内に気泡（蒸気泡）が生成される。急速に膨張する気泡は、流体滴を対応するノズル１１６の外に押し出す。加熱要素が冷えると、該気泡は急速に崩壊して、流体スロット２００から噴射室２０４内へとより多くの流体が引き込まれ、これによって、ノズル１１６から別の流体滴を噴射する準備が整う。

図４は、本開示の１実施形態による、プライミング動作中に、インクがセンサープレートの上を引き戻されるときのいくつかの異なる段階におけるMEMS構造の部分上面図及び部分側面図である。上記したように、流体レベルセンサー２０６は、一般に、流体チャネル２１０、流体室２０４、及び専用のセンサーノズル１１６を有するMEMS構造を備えている。流体レベルセンサー２０６はまた、流体チャネル２１０の底部に配置されたセンサープレート２１２を具備するセンサー回路２０８を備えている。センサー回路２０８は、プライミング動作中に流体チャネル内に流体（インク）が存在するかしないかを検出するように動作する。リザーバ１２０におけるインク供給が耐用期限に近づくと、インクメニスカスがノズル１１６から流体チャネル２１０を通って引き戻され（または後退させられ）、これによって、センサープレート２１２が空気にされることになるのに十分なほど印刷またはプライミング動作中に加えられる背圧が強くなる。図４の（ａ）は、インク４００が、室２０４を満たしており、ノズル１１６内にインクメニスカス４０２を形成している通常状態を示している。この状態では、センサープレート２１２は流体チャネル２１０を満たしているインクで覆われているので、センサープレート２１２はウェット状態にある。プライミング動作中、または、通常のインク滴噴射による印刷動作中は、ある背圧が流体チャネル２１０内のインクに加えられ、これによって、図４の（ｂ）に示すように、インクメニスカス４０２が、ノズルから後退させられて、該チャネルの内部へと引き戻される。リザーバ１２０におけるインク供給が耐用期限に近づくと、この背圧が上昇し、チャネル２１０及びノズル１１６へとインクが流れるのに要する時間も長くなる。図４の（ｃ）に示すように、上昇した背圧は、センサープレート２１２がノズル１１６を通じて引き込まれた空気にさらされるのに十分なほどインクメニスカスをチャネル２１０中へと引き戻す。後述するように、センサー回路２０８は、空気にさらされたセンサープレート２１２を用いて、インク供給の耐用期限の終了近くにおける正確なインクレベルを決定する。

図５は、本開示の１実施形態による、流体レベルセンサー回路２０８の高レベルのブロック図の１例である。センサー回路２０８は、DAC（デジタル−アナログ変換器）５００、入力S&H（サンプルアンドホールド要素）５０２、電流源５０４、センサープレート２１２、スイッチ５０６、出力S&H５０８、ADC（アナログ−デジタル変換器）５１０、状態機械（ステートマシン）５１２、クロック５１４、及び、レジスター0XD0〜0xD6（５１６）などの複数のレジスターを備えている。センサー回路２０８の動作は、スイッチ５０６が閉じてセンサープレート２１２を短絡している間に、電流源５０４をDAC５００及び入力S&H５０２で構成ないし設定する（すなわちバイアスする）ことから開始する。より詳細に後述するバイアスアルゴリズム１２６が、コントローラ１１０で実行されて、レジスター0XD2に与えるための刺激（入力コード）を決定する。該刺激は、DAC５００から最適なバイアス電圧が出力されるようにするものであり、電流源５０４は、この最適なバイアス電圧でバイアスされる。

電流源５０４がバイアスされた後で、測定モジュール１２８が、コントローラ１１０で実行されて、流体レベル測定サイクルを開始する。この測定サイクルの間、測定モジュール１２８は、状態機械５１２を用いてセンサー回路２０８を制御する。測定時間になると、状態機械５１２は、回路２０８を準備し、測定を行い、該回路をアイドル状態に戻すといういくつかの段階中を１段階ずつ回路２０８を進めることによって該測定を調整する。最初のステップにおいて、状態機械５１２がプライミングイベント（プライミング処理）を開始する。プライミングイベントは、ノズル１１６からインクを吐出または噴射して、ノズル及び室２０４からインクを除去し、及び、流体チャネル２１０内に背圧スパイクを生成する。状態機械５１２は、次に、遅延時間（遅延期間）を提供する。この遅延時間は可変であるが、典型的には、約２マイクロ秒〜３２マイクロ秒の間継続する。この遅延の後、第１の回路準備ステップにおいて、スイッチ５０６を開き、これによって、電流源５０４からの電流がセンサープレート２１２に加えられる（すなわち、該プレート２１２に該電流が流れる）。加えられた電流によって、該プレートのキャパシタンス（静電容量）が充電され、該プレート（たとえば該プレートの両端間）に電圧応答が生じる。

電流源５０４から供給される電流は、
｜α（Ｖ_gs−Ｖ_ｔ）^２
という関係でバイアスされていることに留意されたい。ここで、Ｖ_gsはDAC５００からのバイアス電圧である。Ｖ_gsは、ゲート−ソース間電圧であり、Ｖ_ｔは、電流源５０４の電流生成トランジスタのゲート閾値電圧である。電流源５０４は、図６に一般的に示されている範囲選択回路を備えており、該選択回路は、DAC５００からの電圧を、１×（１倍）、１０×（１０倍）及び１００×（１００倍）という範囲について電流をそれぞれ生成する３つの電流生成トランジスタ６００、６０２、６０４のうちの１つに印加できるようにしている。電流を生成するために１つのトランジスタが選択されると、DAC５００からの電圧がその選択されたトランジスタのゲートに印加され、該選択されたトランジスタによって電流源５０４が供給する電流の量が決定される。

第２の回路準備ステップにおいて、状態機械５１２が、スイッチ５０６を開いて、第２の遅延時間（この遅延時間も約２〜３２マイクロ秒の間継続する）を提供する。第２の遅延の後、状態機械５１２は、出力S&H要素５０８に、センサープレート２１２におけるアナログ応答電圧をサンプリング（すなわち測定）して、それをホールド（保持）させる。状態機械５１２は、次に、ADC５１０による変換を開始する。この変換によって、サンプリングされたアナログ応答電圧が、レジスター0xD6に格納されるデジタル値（デジタル応答電圧）に変換される。該レジスターは、測定モジュール１２８が該レジスター（に格納されているデータ）を読み取るまで該デジタル応答電圧を保持する。回路２０８は、次に、別の測定サイクルが開始されるまでアイドルモード（アイドル状態）にされる。

測定モジュール１２８は、該デジタル応答電圧をR_detect閾値と比較して、センサープレートがドライ状態にあるか否かを判定する。測定された応答がR_detectを超えている場合には、ドライ状態が存在し、そうでなければ、ウェット状態が存在する（R_detect閾値の計算については後述する）。ドライ状態が検出されたことは、センサープレート２１２が空気にさらされるのに十分な程度に流体チャネル内２１０内のインクが背圧によって引き戻されていることを示している。追加の測定サイクルを通じて、ドライ状態が持続した（すなわち、センサープレートが空気にさらされた）時間の長さが測定されて、該時間の長さを用いてドライ状態を生成している背圧の大きさを補間する（補間によって求める）。背圧は、インク供給の耐用期限の近くにおいて（または該期限に近づいているときに）予測可能に上昇するので、インクレベルの正確な決定を行うことができる。

上記したように、バイアスアルゴリズム１２６はコントローラ１１０で実行されて、電流源５０４をバイアスするための、DAC５００からの最適なバイアス電圧を決定する。バイアスアルゴリズム１２６は、バイアス電圧を決定する一方で、流体レベルセンサー２０６（すなわち、センサー回路２０８及びMEMS構造）を制御する。バイアスアルゴリズム１２６から見れば、図７に示すように、流体レベルセンサー２０６は、入力または刺激を受けて出力または応答を出力するブラックボックス要素である。入力電圧は、センサー回路２０８のレジスター0xD2に与えられる０〜２５５（８ビット）の数値（入力コード）を用いて設定される。レジスター0xD2に入力された数値またはコードは、DAC５００に与えられる刺激であり、該DACから出力されるアナログ電圧は、その刺激に１０ｍＶを乗じたものである。したがって、電流源５０４をバイアスするために利用できるDAC５００からのアナログバイアス電圧の範囲は、０〜２．５５Ｖである。センサー回路２０８からの出力または応答は、８ビットレジスター0xD6に格納されているデジタルコード（デジタル符号）である。

バイアスアルゴリズムは、入力コードと出力コード間のセンサー回路２０８の刺激対応答関係を用いて、センサープレート２１２がウェットである（すなわち、インクが、MEMS流体チャネル２１０内に存在して、該プレートを覆っている）ときと、センサープレート２１２がドライである（すなわち、インクがMEMS流体チャネル２１０から引き戻されて（ないし後退させられて）、空気が該プレートを取り囲んでいる）ときとの間で、最適な出力デルタ信号（すなわち最大応答電圧）を提供する。図８に示すように、刺激（入力コード）が最小のプリチャージ電圧カウント値から最大のプリチャージ電圧カウント値まで（すなわち、０から２５５まで、つまり、Ｓ_minからＳ_maxまで）走査される（移動させられる）と、応答（出力コード）は、３つの異なる領域、すなわち、オフ領域、活性領域、及び飽和領域を経る応答波形を生成する。これらの３つの領域は全体で、くずれ気味の「Ｓ」の形状を形成する。図８は、入力刺激のこの範囲に対する、ドライ応答曲線８００、ウェット応答曲線８０２、及び、該ウェット応答曲線と該ドライ応答曲線の差を示す差曲線８０４を示している。図８の応答曲線は、それらの応答が強い好適な状態を示している。一般に、最大の信号差（すなわち、最大の差応答曲線）は、センサープレート２１２がチャネル一杯のインクで完全にウェット状態にある（たとえば完全に濡れている）ときと、センサープレート２１２が該チャネル内の空気と最大限に接触して完全にドライ状態にある（たとえば乾いている）ときの間に生じる。

流体／インクが存在するときと存在しないときとで（すなわち、ウェット状態とドライ状態とで）応答曲線は変わるが、MEMS構造内に伝導性もしくは導電性のくずないし破片やインク残留物などの汚染物がほとんど存在しないかまたは全く存在しないときに、その変化はより大きい。したがって、図８の強い応答曲線によって示されているように、応答は最初は強い。しかしながら、時間が経つにつれて、MEMS構造は、流体チャネル及び流体室内のインク残留物で汚染される場合があり、具体的には、ドライ応答が弱まって、ウェット応答に近づく。汚染物は、ドライ状態においてドライ応答を弱める伝導もしくは導電状態を生じさせ、これによって、ドライ応答とウェット応答の差が小さくなる。図９は、弱いドライ応答曲線９００、弱いウェット応答曲線９０２、及び弱い差応答曲線９０４を示しており、この場合、MEMS構造内の汚染物などの好ましくない状態によってそれらの応答が弱められている。図９からわかるように、弱いウェット応答曲線と弱いドライ応答曲線との差は、図８の強い応答曲線で示されている差よりもずっと小さい。図８に示されている強い差曲線８０４は、容易に評価ないし判断することができる、ウェット状態とドライ状態との間のはっきりとした相違ないし区別を提供している。しかしながら、弱い応答状態の下では、ウェット状態とドライ状態の相違を見出す（すなわち、それらの状態を区別する）ことは、それらの間の差が小さいためにより難しくなっている。バイアスアルゴリズム１２６は、（図９に示されている）弱い応答差曲線９０４における差の最適な点を見つける。該最適な点において、流体／インクレベル測定は、ウェット状態とドライ状態との間の最大の応答を提供する。

図１０（a.1、a.2、a.3、b.1、b.2、b.3、c.1、c.2、c.3）は、本開示の１実施形態による、製造プロセス、供給電圧及び温度（これらプロセス、電圧及び温度をPV&Tという）などのプロセス及び環境条件の違いに応じた、弱いドライ応答曲線１０００、弱いウェット応答曲線１００２、及び、それらの差異の例を示している。図１０のa.1、a.2、及びa.3は、プロセス条件が最悪（W）で、供給電圧が５．５Ｖで、温度が摂氏１５度（これらは、それらの図において「W;5.5V;15C」で示されている）の場合における、それぞれ、１×（すなわち１倍）、１０×（すなわち１０倍）、及び１００×（すなわち１００倍）という入力刺激範囲に対する曲線の例を示している。図１０のb.1、b.2、及びb.3は、プロセス条件が最良（B）で、供給電圧が４．５Ｖで、温度が摂氏１１０度（これらは、それらの図において「B;4.5V;110C」で示されている）の場合における、それぞれ、１×（すなわち１倍）、１０×（すなわち１０倍）、及び１００×（すなわち１００倍）という入力刺激範囲に対する曲線の例を示している。図１０のc.1、c.2、及びc.3は、プロセス条件が典型的（T）で、供給電圧が５．０Ｖで、温度が摂氏６０度（これらは、それらの図において「T;5.0V;60C」で示されている）の場合における、それぞれ、１×（すなわち１倍）、１０×（すなわち１０倍）、及び１００×（すなわち１００倍）という入力刺激範囲に対する曲線の例を示している。いくつかの場合では、応答曲線の活性領域は、PV&Tの変化に起因してその傾きが変わる。他の場合では、応答曲線の活性領域は、該領域が、オフ領域内の前の方から開始するか後の方から開始するかというようにその配置がシフト（または変化）する。図１０のa.1〜a.3、b.1〜b.3、及びc.1〜c.3におけるドライ及びウェット応答曲線は、PV&T条件の変化によって生じうるそのような傾き及び開始点の変化を示している。図１０のa.1〜a.3、b.1〜b.3、及びc.1〜c.3における差曲線１００４は、該入力刺激範囲に対する及びPV&T条件の変化に対するウェット応答曲線とドライ応答曲線との差を示している。

図１１は、本開示の１実施形態による、刺激に対してプロットされたドライ応答とウェット応答の差を示している。図１０に示されている差曲線１００４を重ねて図１１が作成されている。これは、差曲線のピークの高さ、差曲線の進入部分（アプローチ）及び減衰部分の勾配、差曲線に沿った刺激軸の中心の配置がすべて、PV&Tに応じて変わることを例示することを意図したものである。

図１２は、本開示の１実施形態による、ウェット応答に対してプロットされた複合差曲線の１例１２００を示している。差曲線の基準を、刺激ではなく応答に対してシフトする（すなわち変える）ことによって、PV&Tの相違からの分離（独立性）の尺度が得られる。バイアスアルゴリズム１２６は、差が小さい場合に、ウェット状態とドライ状態の間の最大のインクレベル測定応答を提供する最適な差位置がどこにあるかという解を見つける。したがって、その解は、PV&Tのそのような変化に対して耐性があり、かつ、可能なかぎり大きなマージン（余裕）を提供するはずのものである。したがって、図１２に示されているように、差曲線１００４を、入力刺激の関数ではなく、ウェット応答曲線１００２の関数として見ることによって、PV&Tによる変化（またはPV&Tの変化）の大部分を除去することができる。これは、プロセス、電圧及び温度（PV&T）によって、所与の刺激に対する出力値が大きく変化するからである。しかしながら、ドライ状態（インクなし）とウェット状態（インクあり）との間の差は、PV&Tによってそれほど変化しないので、この差を用いて、PV&Tによって引き起こされる変化の大部分を除去することができる。差曲線の複合体は、全てのプロセス及び環境（PV&T）条件にわたって決定された多くの差曲線を重ね合わせることによって形成された領域を取り囲んでいる。したがって、該複合差曲線の上にある領域は、PV&T条件の影響を受けない存在可能な信号応答領域を表している。複合差曲線の中心は、ドライ状態とウェット状態間の電圧応答を最大にするピーク応答（R_peak）を実現するために、インクレベル測定がなされるべき場所を表している。R_peak応答の位置は、最小のウェット応答R_minと最大のウェット応答R_max間の範囲（またはR_minとR_max間の全長）に対する割合として表される。したがって、複合差曲線１２００におけるR_peakの位置はR_pd%と呼ばれる。さらに、測定サイクル中において、R_pd%の位置における複合差曲線１２００のピークの高さは、ドライ状態が存在するときに予期される（R_minとR_max間の範囲に対する割合としての）最小差（D_min%と呼ぶ場合がある）を表している。

バイアスアルゴリズム１２６は、複合差曲線１２００のR_pd%に配置されているピーク応答R_peakを生じる入力刺激値S_peakを決定する。該アルゴリズムは、レジスター0xD2に最小刺激（S_min）を入力して、レジスター0xD6内の応答をサンプリング（（たとえば所定のタイミングで）測定）する。該アルゴリズムはまた、レジスター0xD2に最大刺激（S_max）を入力して、レジスター0xD6内の応答をサンプリングする。レジスター0xD6内のこれらの２つの値は、応答の両極端のそれぞれの値、すなわち、R_minとR_maxである。この場合、ピーク応答値R_peakを、次のように計算することができる。
R_peak＝R_min＋（R_pd%×（R_max−R_min））

さらに、対応する刺激値S_peakを、種々のアプローチによって見いだすことができる。刺激を、たとえば、S_minからS_maxまで走査（移動）させて、応答がR_peakに達したときに止めることができる。別のアプローチは、二分探索を使用することである。ピーク応答R_peakを生じる刺激値S_peakは、センサー回路２０８内の電流源５０４を最適にバイアスすることによって、センサープレート２１２においてドライプレート状態とウェットプレート状態間の最大の応答を測定できるようにするためにレジスター0xD2に与えられる入力コードである。

上記したように、ある１つの測定サイクルにおいて、測定モジュール１２８は、センサープレート２１２の（または、センサープレート２１２にかけられた）測定された応答電圧とR_detect閾値を比較することによって、センサープレート２１２がドライ状態にあるか否かを判定する。測定された応答がR_detectを超えている場合には、ドライ状態が存在し、そうでない場合には、ウェット状態が存在する。R_detect閾値は、次の式によって計算される。
R_detect＝R_peak＋（（R_max−R_min）×（D_min%／２））

応答電圧において予期される最小差D_min%は、ドライ状態の場合とウェット状態の場合の間でノイズマージンを共有するために分割される（すなわち２で割られる）。

図１３は、本開示の１実施形態による、流体レベルを検出する方法の１例１３００のフローチャートである。方法１３００は、図１〜図１２に関して説明した実施形態に関連する。方法１３００はブロック１３０２から開始し、そこで、ウェット状態及びドライ状態において、センサー回路に刺激電圧を印加する。印加された刺激電圧は、ある最小電圧からある最大電圧までの範囲を有している。ブロック１３０４において、該刺激範囲にわたってウェット応答及びドライ応答が測定される。この測定は、流体が入っている流体チャネル内のセンサープレートにかかっている電圧をサンプリングするステップ、及び、加えられている背圧によって流体が引き込まれている（または後退させられている）ところの流体チャネル内のセンサープレートにかかっている電圧をサンプリングするステップを含む。方法１３００は、ブロック１３０６に進み、そこで、ウェット応答とドライ応答間の差応答を求め、ブロック１３０８において、該差応答におけるピーク差（最大差）を突き止める。ブロック１３１０において、該ピーク差に対応するピーク刺激が決定される。このステップは、該ピーク差に対応するウェット応答値を決定するステップと、該ウェット応答値をピーク刺激電圧に関連づけるステップを含む。方法１３００のブロック１３１２において、センサー回路の電流源がピーク刺激を用いてバイアスされ、ブロック１３１４において、電流源からの電流がセンサープレートに加えられる。ブロック１３１６において、センサープレートにおける電圧応答がサンプリングされる。ブロック１３１８において、センサープレートの電圧をある閾値電圧と比較してドライプレート状態（またはドライプレート状態であるか否か）を決定ないし判定し、ブロック１３２０において、ドライプレート状態が持続した時間（期間）が測定される。方法１３００のブロック１３２２において、該時間に基づいて流体レベルが決定される。

図１４は、本開示の１実施形態による、流体レベルを検出する方法の別の例１４００のフローチャートである。方法１４００は、図１〜図１２に関して説明した実施形態に関連する。方法１４００は、ブロック１４０２で開始し、そこで、電流源からの電流が、センサープレートにおいて、ウェットセンサープレート状態とドライセンサープレート状態間の最大電圧変化を引き起こすように、電流源をバイアスする。この電流源のバイアスは、該最大電圧変化を生じる入力バイアス電圧を決定するステップと、該入力バイアス電圧を電流源のトランジスタゲートに印加するステップを含む。入力バイアス電圧を決定するステップは、ウェットセンサープレート状態とドライセンサープレート状態の両方に対して、ある最小刺激電圧からある最大刺激電圧にわたる範囲の（または、該最小刺激電圧から該最大刺激電圧までのある範囲の）刺激を電流源に加えるステップを含む。刺激を加えるこのステップは、０〜２５５までの範囲の８ビット数をDACに与える（たとえば入力する）ステップと、該８ビット数にあるアナログ電圧（たとえば、１ｍＶ、１０ｍＶ、１００ｍＶ）を乗じたものを該DACから出力するステップを含む。入力バイアス電圧を決定するステップはまた、該刺激範囲にわたって、センサープレートにおけるウェット状態電圧応答及びドライ状態電圧応答を決定するステップ、ウェット状態電圧応答とドライ状態電圧応答との差応答を決定するステップ、該差応答からピーク差応答を決定するステップ、及び、該ピーク差応答を生じるピーク刺激電圧を突き止めるステップを含む。

方法１４００のブロック１４０４において、バイアスされた電流源によって生成された電流がセンサープレートに加えられ、ブロック１４０６において、該センサーにおける（または該センサープレートにかかっている）応答電圧がサンプリングされる。ブロック１４０８において、該応答電圧がある閾値電圧と比較されて、ブロック１４１０に示すようにドライプレート状態（またはドライプレート状態であるか否か）が決定される。ブロック１４１２において、そのようなサンプリングの前に、メニスカスを、ノズルから、流体チャネル内のセンサープレートを通り過ぎて引き戻す（または後退させる）ために背圧が加えられる。この背圧は、背圧スパイクを生じるノズルのプライミングを通じて（または、該プライミングの間）加えられる。ブロック１４１４において、ドライセンサープレート状態が継続した時間長が測定され、ブロック１４１６において、該時間長に基づいてリザーバ内の流体レベルが決定される。

Claims (22)

1. センサープレート及び電流源を有するセンサー回路と、
   前記センサープレートに加えられた電流が、ドライセンサープレート状態とウェットセンサープレート状態間の応答電圧の最大差を引き起こすように、前記電流源をバイアスするためのプロセッサ実行可能命令を有するアルゴリズム
   を備える流体レベルセンサー。
2. 前記センサー回路が、
   入力レジスターであって、該入力レジスターには、前記アルゴリズムによってある入力コードが刺激として与えられる、入力レジスターと、
   前記電流源をバイアスするためのアナログバイアス電圧に前記入力コードを変換するDAC（デジタル−アナログ変換器）と、
   前記応答電圧を出力コードに変換するADC（アナログ−デジタル変換器）と、
   前記出力コードが前記アルゴリズムによって読み取られるまで、該出力コードを保持する出力レジスター
   をさらに備える、請求項１の流体レベルセンサー。
3. 前記センサー回路が、
   前記電流源におけるバイアス電圧をサンプリングして保持するための第１のサンプルアンドホールド要素と、
   前記加えられた電流に応答して、前記センサープレートにおいて生じた応答電圧をサンプリングして保持するための第２のサンプルアンドホールド回路
   をさらに備える、請求項２の流体レベルセンサー。
4. 前記電流源が、複数の電流範囲内の電流を選択できるようにするための範囲選択回路を備える、請求項１の流体レベルセンサー。
5. 前記範囲選択回路が、個別に選択可能な複数の電流生成トランジスタを備え、該電流生成トランジスタの各々は、バイアス電圧及び対応する乗算器に基づいてある電流量を生成する、請求項５の流体レベルセンサー。
6. 電流源と、
   入力コードを電流源のバイアス電圧に変換するためのDAC（デジタル−アナログ変換器）と、
   センサープレートと、
   前記電流源から前記センサープレートに電流を加えるためのスイッチと、
   前記センサープレートにおける応答電圧とある閾値を比較することによって、ウェットセンサープレート状態かドライセンサープレート状態かを決定するための測定モジュール
   を備える流体レベルセンサー。
7. 前記応答電圧が、前記センサープレートがドライ状態であるときと前記センサープレートがウェット状態であるときの間で最大の変化を有するように前記入力コードを決定するためのバイアスアルゴリズムをさらに有する、請求項６の流体レベルセンサー。
8. 前記センサープレートが配置される流体チャネルと、
   前記流体チャネルに流体結合されたノズル
   をさらに備える、請求項６の流体レベルセンサーであって、
   前記測定モジュールは、前記流体チャネル内に背圧を生成して、流体が前記ノズルから前記チャネルを通って戻るように該流体を後退させ、これによって、前記センサープレートが空気にさらされるようにすることからなる、流体レベルセンサー。
9. 流体レベルを検出する方法であって、
   ウェット状態及びドライ状態において、センサー回路に刺激電圧を加えるステップであって、該刺激電圧は、ある最小電圧からある最大電圧までの範囲を有する、ステップと、
   前記刺激の範囲にわたって、ウェット応答及びドライ応答を測定するステップと、
   前記ウェット応答と前記ドライ応答間の差応答を求めるステップと、
   前記差応答におけるピーク差を特定するステップと、
   前記ピーク差に対応するピーク刺激を決定するステップ
   を含む方法。
10. ピーク刺激を決定する前記ステップが、
    前記ピーク差に対応するウェット応答値を決定するステップと、
    前記ウェット応答値を前記ピーク刺激電圧に関連づけるステップ
    を含む、請求項９の方法。
11. ウェット応答を測定する前記ステップが、流体を収容している流体チャネル内のセンサープレートの電圧をサンプリングするステップを含む、請求項９の方法。
12. ドライ応答を測定する前記ステップが、加えられている背圧によって流体が引き込まれている流体チャネル内のセンサープレートの電圧をサンプリングするステップを含む、請求項９の方法。
13. 前記センサー回路の電流源を前記ピーク刺激でバイアスするステップと、
    前記センサープレートに前記電流源からの電流を加えるステップと、
    センサープレート電圧をサンプリングするステップと、
    前記センサープレート電圧をある閾値電圧と比較して、ドライプレート状態を決定するステップ
    をさらに含む、請求項９の方法。
14. 前記ドライプレート状態が持続した時間を測定するステップと、
    前記時間に基づいて流体レベルを決定するステップ
    をさらに含む、請求項９の方法。
15. 流体レベルを検出する方法であって、
    電流によって、センサープレートにおいて、ウェットセンサープレート状態とドライセンサープレート状態間に最大電圧変化が引き起こされるように電流源をバイアスするステップと、
    前記電流を前記センサープレートに加えるステップと、
    前記センサープレートにおける応答電圧をサンプリングするステップと、
    前記応答電圧をある閾値電圧と比較するステップと、
    前記比較に基づいて、前記ドライセンサープレート状態を決定するステップ
    を含む方法。
16. 前記サンプリングの前に、流体メニスカスをノズルからチャネル内の前記センサープレートを通り過ぎて後退させるための背圧を加えるステップをさらに含む、請求項１５の方法。
17. 背圧を加える前記ステップが、背圧スパイクを生成するためにノズルをプライミングするステップを含む、請求項１６の方法。
18. 前記ドライセンサープレート状態が継続した時間長を測定するステップと、
    前記時間長に基づいて流体レベルを決定するステップ
    をさらに含む、請求項１５の方法。
19. 電流源をバイアスする前記ステップが、
    前記最大電圧変化を生じる入力バイアス電圧を決定するステップと、
    前記電流源のトランジスタゲートに前記入力バイアス電圧を加えるステップ
    を含む、請求項１５の方法。
20. 前記入力バイアス電圧を決定する前記ステップが、
    前記ウェットセンサープレート状態と前記ドライセンサープレート状態の両方に対して、
    ある最小刺激電圧からある最大刺激電圧までのある範囲の刺激を前記電流源に加えるステップと、
    前記刺激の範囲にわたって、前記センサープレートにおけるウェット状態電圧応答及びドライ状態電圧応答を決定するステップと、
    前記ウェット状態電圧応答と前記ドライ状態電圧応答の間の差応答を決定するステップと、
    前記差応答からピーク差応答を決定するステップと、
    前記ピーク差応答を生じるピーク刺激電圧を特定するステップ
    を含むことからなる、請求項１９の方法。
21. ある範囲の刺激を加える前記ステップが、
    ０〜２５５までの範囲の８ビット数をDAC（デジタル−アナログ変換器）に加えるステップと、
    前記８ビット数にあるアナログ電圧を乗じたものに等しい出力を前記DACから提供するステップ
    を含む、請求項２０の方法。
22. 前記ピーク刺激を決定する前記ステップが、
    前記刺激の範囲にわたって前記ウェット応答の範囲を決定するステップと、
    前記ウェット応答の範囲の所定の割合に対応する刺激値を決定するステップ
    を含む、請求項９の方法。